JP5001495B2 - 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムの概略構成の一例を図１０に示す。ただし、図１０では、ガス供給源、ガスの予熱と熱交換に関する部分、及び、発電された電力の集電に関わる部分等は省略している。
【０００３】
図１０を参照して、燃料電池は、ガス供給部であるヘッダ１１０と、発電部であるセルチューブ１１１とを具備する。ヘッダ１１０は、仕切板１１０ａ、底板１１０ｂ、供給室１１０ｃ、排出室１１０ｄを有する。また、セルチューブは、案内管１１２を有する。
【０００４】
ヘッダ１１０の内部は、仕切板１１０ａにより上下方向に区分けされ、上方が供給室１１０ｃ、下方が排出室１１０ｄとして構成されている。ヘッダ１１０の底板１１０ｂには、セルチューブ１１１の上端部（一端部）が排出室１１０ｄとガスの出入りが出来るように連結され、支持されている。セルチューブ１１１の下端部（他端部）は、閉塞されている。セルチューブ１１１の内部には、案内管１１２が、同軸をなして挿入されている。案内管１１２は、その一端部（上端部）が、上記供給室１１０ｃとガスの出入りが出来るように、上記仕切板１１０ａに連結され、支持されている。このようなセルチューブ１１１及び案内管１１２は、複数本存在し、ヘッダ１１０に連結され、支持されている。ここで、セルチューブ１１１は、多孔質の基体管の外周面に燃料電池セルを形成された燃焼電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
セルチューブ１１１上に形成された燃料電池セル（図示せず）は、燃料極−電解質−空気極（積層）を一つの単位として、セルチューブ１１１の基体管の外周表面において、基体管の長手方向に一定の幅毎に複数連続して形成されている。そして、隣接する燃料電池セルの電解質及び空気極と燃料極とが、インタコネクタの膜で接合されている。インタコネクタ上には、インタコネクタを保護するための保護膜が形成される場合もある。
【０００６】
このような構成をなす燃料電池の定常的な運転では、供給室１１０ｃ内に水素やメタンのような燃料ガス１を供給すると共に、セルチューブ１１１の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２を供給する。そうすると、燃料ガス１が各案内管１１２に対してばらつきの無い流量で流入して、案内管１１２の先端まで達する。しかる後、燃料ガス１は、セルチューブ１１１内の閉塞された下端部（他端部）より折り返し、セルチューブ１１１の下端部（他端部）から上端部（一端側）へ向かって流通する。そして、基体管の側面（壁面）を外側に向かって拡散し、燃料極に達する。一方、酸化剤ガス２は、外部から進入し、セルチューブ１１１の外周部上の空気極に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２がセルチューブ１１１の前記燃料電池セル２で電気化学的に反応して電力を発生する。
【０００７】
しかし、製造後最初の運転の場合には、装置立上げ時に、まず、酸化している電極（燃料極）や、リード線の機能を有するリード膜の還元を行なう必要がある。すなわち、セルチューブ１１１は、電極等を全て酸化雰囲気で焼成して作製するため、電極等は全て酸化している。例えば、燃料極としてニッケルを用いる場合には、酸化ニッケルになっている。燃料電池として使用する際には、それらを還元し、本来の機能を果たせるようにする必要がある（酸化ニッケルをニッケルに還元する）。
【０００８】
その場合、還元作業においては、燃料電池の全体の電圧を監視しながら、水素流量を増加させる。
図９を参照して、説明する。縦軸は、左側が燃料電池セル１個当たりの開放電圧であり、右側が燃料電池の燃料の出口での水素濃度（出口水素濃度）である。横軸は、燃料電池システム内の温度である。還元処理は炉内の温度を少しずつ上昇させながら進める。また、温度の低い段階では、安全のために、供給する燃料ガス中の水素濃度を低くしている。
【０００９】
温度の上昇と共に、燃料極の還元が進行する。それに伴い、水素が消費され、開放電圧（ＯＣＶ）が増加し、出口水素濃度が低下する。水素が枯渇すると、金属の集電部分が酸化され発電不可能になる。それを避ける為に、出口水素濃度が０％になる直前に、供給する燃料ガス中の水素濃度を上昇させ、出口水素濃度を５％程度になるように上昇させる。５％までしか上げないのは、安全（水素の爆発下限界を考慮）のためと、燃料の無駄を無くすためである。そして、このプロセスを、燃料電池システム内の温度が、７００〜１０００℃となり、かつ燃料電池セル１個当たりの開放電圧が概ね１．２Ｖになるまで続ける。
【００１０】
その水素濃度の調整は、燃料電池の全体の電圧を監視しながら、燃料電池全体での水素濃度を調整する方法をとっているので、供給する水素濃度の変化に対する出口水素濃度の応答の予測が難しいこと、個々の燃料電池セルにおける供給する燃料ガス中の水素濃度のばらつきを考慮できないこと、等の困難な点があり自動化が難しい状況であった。
【００１１】
また、燃料極及びリード膜の還元の確認は、微弱な電流を流すことにより、その電圧降下により行なっていた。水素濃度が低い状況で、それを行なうと、過電流を流してセルを損傷する可能性がある。従って、微弱電流の調整は、自動化が難しい状況であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池の電極等を安定的に還元することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１３】
また、別の目的としては、燃料電池の電極等の還元の状態を安定的に確認することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１４】
更に、別の目的としては、燃料電池の燃料ガスの分配状況を確認することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１５】
更に、別の目的としては、燃料電池の状況に応じて水素濃度を自動的に制御することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本課題を解決するための手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と発明の実施の形態との対応を示すために記したものであり、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図１、１）の流量を調整するガス調整部（図１、１５）を有する、燃料ガス（図１、１）を供給する燃料供給管（図１、１９・２０）と、開放端を有する内管（図１、１２）と閉塞端を有する外管（図１、３）の二重管構造を有し、外管（図１、３）の外面に燃料電池セルを形成した燃料電池セル管（図１、１２・３）と、燃料供給管（図１、１９・２０）からの燃料ガス（図１、１）が内管（図１、１２）を通ってその閉塞端で折り返され、内管（図１、１２）と外管（図１、３）との間を流れ、燃料ガス（図１、１）の流路の最終端に設けられた燃料電池セル（図１、１１）の電圧を測定し、その電圧の測定結果に基づいて、ガス調節部（図１、１５）の制御を行なう制御部（図１、１３）とを具備する。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図７、１）の流量を調整するガス調整部（図７、１５）を有する、燃料ガス（図７、１）を供給する燃料供給管（図７、１９・２０）と、基体管の表面に燃料電池セルを形成した燃料電池セル管（図７、３）と、燃料供給管（図７、１９・２０）からの燃料ガス（図７、１）が燃料電池セル管（図７、３）を流れ、燃料ガス（図７、１）の流路の最終端に設けられた燃料電池セル（図７、１１）の電圧を測定し、その電圧の測定結果に基づいて、ガス調節部（図７、１５）の制御を行なう制御部（図７、１３）とを具備する。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図３、１）の流量を調整するガス調整部（図３、１５）を有する、燃料ガス（図３、１）を供給する燃料供給管（図３、１９・２０）と、開放端を有する内管（図３、１２）と閉塞端を有する外管（図３、３）の二重管構造を有し、外管（図３、３）の外面に燃料電池セルと、発電された電力を取出すリード膜とを形成した燃料電池セル管（図３、１２・３）と、燃料供給管（図３、１９・２０）からの燃料ガス（図３、１）が内管（図３、１２）を通ってその閉塞端で折り返され、内管（図３、１２）と外管（図３、３）との間を流れ、燃料ガス（図３、１）の流路の最終端に設けられたリード膜（図３、１１）の抵抗を測定し、その抵抗の測定結果に基づいて、ガス調節部（図３、１５）の制御を行なう制御部（図３、１３）とを具備する。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図８、１）の流量を調整するガス調整部（図８、１５）を有する、燃料ガス（図８、１）を供給する燃料供給管（図８、１９・２０）と、基体管の表面に燃料電池セルと、発電された電力を取出すリード膜とを形成した燃料電池セル管（図８、３）と、燃料供給管（図８、１９・２０）からの燃料ガス（図８、１）が燃料電池セル管（図８、３）を流れ、燃料ガス（図８、１）の流路の最終端に設けられたリード膜（図８、１０）の抵抗を測定し、その抵抗の測定結果に基づいて、ガス調節部（図８、１５）の制御を行なう制御部（図８、１３）と具備する。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図１／３／７／８、１）の排出時の水素濃度を測定するガスセンサ（図１／３／７／８、１４）を有する、燃料ガス（図１／３／７／８、１）を排出する燃料排出管（図１／３／７／８、２３・２５）とを更に具備し、制御部（図１／３／７／８、１３）は、その電圧の測定結果とその水素濃度測定の結果とに基づいて、ガス調節部（図１／３／７／８、１５）の制御を行なう。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料電池セル管（図１／３、１２・３；図７／８、３）が、他の燃料電池セル管よりも燃料ガス（図１／３／７／８、１）の供給量が少ない。
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池運転方法は、基体管の表面に形成された燃料電池セルに燃料ガス（図１／７、１）を供給するステップと、その燃料電池セルの内、燃料ガス（図１／７、１）の流路における最後の燃料電池セル（図１／７、１１）の電圧を測定するステップと、その電圧の測定結果に基づいて、燃料ガス（図１／７、１）の供給量を制御するステップとを具備する。
【００２４】
また、本発明の燃料電池運転方法は、基体管の表面に形成された燃料電池セルが発電した電力を取出すリード膜に燃料ガス（図３／８、１）を供給するステップと、そのリード膜の内、燃料ガス（図３／８、１）の流路における最後のリード膜（図３／８、１０）の抵抗を測定するステップと、そのリード抵抗の測定結果に基づいて、燃料ガス（図３／８、１）の供給量を制御するステップとを具備する。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池運転方法は、燃料ガス（図１／３／７／８、１）の排出時の水素濃度を測定するステップとを更に具備し、燃料ガス（図１／３／７／８、１）の供給量を制御するステップは、その電圧又は抵抗測定の結果とその水素濃度測定の結果に基づいて行なわれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、筒型のうち円筒型の燃料電池セル管を有する燃料電池システムとその運転方法に関して例を示して説明するが、他の燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２７】
（実施例１）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池システムの第一の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管の外管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ａ６と管板Ｂ７と供給室８と排出室９とを有するヘッダ５、リード膜１０、燃料電池セル１１、燃料電池セル管の内管としての案内管１２、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４からなる。なお、図１の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２８】
本発明においては、燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分（図１、燃料電池セル１１）の電圧を自動監視（図１、制御部１３）しながら、自動的に燃料流量（濃度）を制御（図１、制御部１３）し、電極やリード膜の還元を良好に行なわせる点が、従来の技術と異なる。
燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分における電圧に着目しているので、その部分において必要な燃料が供給されれば、他の部分については問題が起こることは無い。従って、燃料電池システム全体としての安定性・信頼性が確保できる。また、電圧を取得し、それに基づいて自動的に制御を行なうので、個々人の能力に依存しない安定的な方法であり、かつ人手の必要のない効率的な方法である。従って、発電における信頼性が高まり、故障の確率も減り、コストを削減することが可能となる。
【００２９】
以下に各構成を詳細に説明する。
図１を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【００３０】
燃料電池セル管の外管としてのとしてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの基体管の外周面に燃料電池セルを形成された、燃焼電池を構成する円筒型の管である。セルチューブ３は、一端側を排出室９（後述）の管板Ｂ７（後述）に開放されて接合され、支持されている。また、他端側は、閉塞され、酸化剤供給室４へ延びている。セルチューブ３の内部には、案内管１２を有している。セルチューブ３の材質は、ジルコニアである。図１においては、１本のみを代表として図示しているが、複数存在し、燃料電池システムの規模に応じて、本数を決定する。
基体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層され、燃料電池セルを形成している（図示せず）。それぞれのセル同士は、インターコネクタで接合されている（図示せず）。燃料ガス１が、案内管１２（後述）を経由して、セルチューブ３の下端部（他端部）よりセルチューブ３の燃料電池セルへ供給される。そして、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達し、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。
【００３１】
燃料電池セル１１は、燃料極、電解質、空気極が、この順に積層された燃料電池セルである。本実施例では、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなるセルチューブ３において、燃料（水素）供給量が最も少なくなるセルチューブ３の上端部（一端部）側の最も端にある燃料電池セルを指す。燃料極（アノードは、電解質が酸素イオン導電体の場合、電解質中を輸送される酸素イオンと、燃料ガス１中の水素又は一酸化炭素とを結合させ、水又は二酸化炭素を生成するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ニッケル／ジルコニアである。電解質は、燃料電池セルが発電するための、酸素イオンを輸送する酸素イオン導電体である。本実施例では、安定化ジルコニアである。空気極（カソード）は、電解質が酸素イオン導電体の場合、酸化剤ガス２中の酸素をイオン化し、電解質へ供給するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ランタンマンガナイトである。
【００３２】
燃料電池セルは、燃料電池システム内に複数存在するセルチューブ３に複数個存在し、セルチューブ３上の円周に沿って１周全てに連続的に形成され、かつ、セルチューブ３の長手方向では一定の幅毎に形成される。隣同士の燃料電池セルは、インタコネクタ（図示せず、セラミックスまたは金属膜）で直列に接続されている。燃料電池セル１１は、その中で、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなる燃料電池セルである。
【００３３】
リード膜１０は、複数の燃料電池セル１１で発電した直流電力の一方の極を集電部（セルチューブ３の上端部（一端部）に接続される電極端子（図示せず））へ引き出すためのリード線の役割をする膜である。燃料電池システム運転中に、膜が酸化されないように、緻密な保護膜（金属酸化膜の絶縁層）が積層されている。セルチューブ３の最も上端部（一端部）寄りである燃料電池セル１１の空気極（又は燃料極）と接続している。そして、リード膜１０は、その空気極からセルチューブ３の外周部をその上端部（一端部）まで延びている。周方向の幅は、発電する電力の大きさとそのリード膜２２の厚みにより、抵抗が充分低いように、発電基体管全面であっても、ある特定の幅であってもよい。
【００３４】
燃料電池セル管の内管としての案内管１２は、その上端部（一端部）で、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ａ６と連結し、開放されて接合している。そして、下端部（他端部）は、セルチューブ３の内部の下端（他端、閉塞している）付近において、そこに接することなく、開放されている。
供給室に入った燃料ガス１は、案内管１２の下端部（他端部＝セルチューブ３の下端（他端））に達し、そこから出て、セルチューブ３の内部であって案内管１２の外部を、セルチューブ３の上端部（一端部）へ向けて移動する。ガスは、その移動の間に、セルチューブ３の側面を、その外側に向けて拡散し、チューブ外側に設けられた燃料電池セルに達する。そして、そこにおいて行なわれる発電に寄与する。
【００３５】
燃料電池セル管は、内管としての案内管１２と外管としてのセルチューブ３とが二重管構造を成しており、その外面に燃料電池セル及びリード膜が形成されている。
【００３６】
制御部１３は、燃料電池セル１１からの計測ラインＡ１７（後述）と計測ラインＢ１８（後述）とを介した電圧出力に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御する制御装置である。その際、予め設定された燃料電池セル１１の出力電圧と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
また、ガスセンサ１４（後述）からのガスセンサライン２４を介した使用済み燃料ガス１の水素濃度に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御することも可能である。その際、予め設定された水素濃度に入るように、供給側の水素濃度を調整する。
更に、両方を同時に参考にして、供給する燃料ガス１の供給量を決定することも可能である。その際、予め設定された燃料電池セル１１の出力電圧と使用済み燃料ガス１の水素濃度と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
【００３７】
なお、制御部１３は、燃料ガス１の制御だけでなく、燃料電池システム全体の制御を行なうための制御装置と一体とすることも、別とすることも可能である。
【００３８】
計測ラインＡ１７は、燃料電池セル１１の電圧を測定するための電圧端子及びそのリード線である。燃料電池セル１１の一方の電極（例えば燃料極）と、制御部１３の測定端子とを接続している。
同様に、計測ラインＢ１８は、燃料電池セル１１の電圧を測定するための電圧端子及びそのリード線である。燃料電池セル１１の他方の電極（例えば空気極）と、制御部１３の測定端子とを接続している。
【００３９】
ガスセンサ１４は、燃料ガス出口管２３のヘッダ５と反対の側の端部と、燃料ガス排出管２５との間に設置されている水素ガス用のセンサである。センサ及びガスを流通させる配管とから成る。内部を通過する使用済み燃料ガス１中に含まれる水素ガスの濃度を測定する。
ガスセンサライン２４は、一端部をガスセンサ１４に、他端部を制御部１３に接続している。ガスセンサ１４で測定されたデータの出力を制御部１３へ送るラインである。
【００４０】
ガス調整部としてのガス調整弁１５は、燃料ガス供給管１９の途中に接続される。制御部１３から出力される信号に基づいて、燃料ガス１のヘッダ５（セルチューブ３）への供給量を調整する調整弁である。
調整弁制御ライン１６は、一端部を制御部１３に、他端部をガス調整弁１５に接続している。制御部１３で設定されたガス供給量に関わる信号を、ガス調整弁１５へ送るラインである。
【００４１】
酸化剤供給室４は、ヘッダ５（後述）の下方（一方）の側に隣接し、ヘッダ５の燃料ガスと、酸化剤供給室４の酸化剤ガスが混合しないように隔離されている。そして、セルチューブ３の大部分を含んでおり、セルチューブ３に酸化剤ガスを供給する室である。
【００４２】
次に、供給室８と、排出室９と、管板Ａ６と、管板Ｂ７とを有するヘッダ５について説明する。
供給室８は、案内管１２の上端部（一端部）の上部にあり、中空の直方体又は円柱状の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス導入管２０（後述）から燃料ガス１の供給を受ける。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。上部の天板には、燃料ガス導入管２０が連結し、開放されて接続している。また、底面は管板Ａ６（後述）であり、案内管１２が取付けられている。案内管１２は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ａ６と連結し、開放されて接合している。供給室８は、複数存在する各セルチューブ３へ、均等に燃料ガス１を供給する。それと共に、各セルチューブ３の支持も行なう、金属製の室である。
【００４３】
排出室９は、セルチューブ３の上端部（一端部）の上部にあり、中空の直方体又は円柱状の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス出口管２３（後述）から使用済みの燃料ガス１を排出する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。上部の天板は管板Ａ６（後述）であり、燃料ガス出口管２３が連結し、開放されて接続している。また、底面は管板Ｂ７（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｂ７と連結し、開放されて接合している。それと共に、セルの支持も行なう、金属製の室である。
【００４４】
管板Ａ６は、供給室８の底面の板であり、案内管１２を接続するための孔が（案内管１２の数だけ）開口している。案内管１２と、案内管１２の上端部（一端部）で、供給室８からの燃料ガス１の出入りが出来るように連結し、供給室８側に開放されて接合している。そして、案内管１２を強固に支持している、金属製の板である。また、燃料ガス出口管２３と、排出室９からの燃料ガス１の出入りが出来るように連結し、排出室９側に開放されて接合している。
【００４５】
管板Ｂ７は、排出室９の底面の板であり、セルチューブ３を接続するための孔が（セルチューブ３の数だけ）開口している。また、セルチューブ３とセルチューブ３の上端部（一端部）で燃料ガス１の出入りが出来るように連結し、排出室９側に開放されて接合している。そして、セルチューブ３を支持している、金属製の板である。
【００４６】
次に、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９と燃料ガス導入管２０について説明する。
燃料ガス供給管１９は、燃料ガス１をヘッダ５へ供給する配管の一つである。途中に、燃料ガス１の流量を調整するガス調整弁１５を有している。そして、一端部は、燃料ガス導入管２０に接続し、燃料ガス１を燃料ガス導入管２０へ流している。
【００４７】
燃料ガス導入管２０は、燃料ガス１をヘッダ５へ供給する配管の一つである。その一端部を燃料ガス供給管１９に接続し、他端部をヘッダ５の供給室８の天板に連結し、供給室８側に開放されて接合している。また、燃料ガス出口管２３と同軸の二重管構造を成している。ただし、燃料ガス導入管２０は外管、燃料ガス出口管２３は内管である。燃料ガス供給管１９から来た燃料ガス１を供給室８へ供給する。
【００４８】
次に、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３と燃料ガス排出管２５について説明する。
燃料ガス出口管２３は、使用済みの燃料ガス１をヘッダより排出する配管の１つである。その一端部をヘッダ５の排出室９の天板である管板Ａ６に連結し、排出室９側に開放されて接合されている。また、他端部は、ヘッダ５から離れる方向に延び、その途中の部分は、燃料ガス導入管２０と同軸の二重管構造を成している。ただし、燃料ガス導入管２０は外管、燃料ガス出口管２３は内管である。そして、二重管構造の先の他端部には、ガスセンサ１４を有している。
【００４９】
燃料ガス排出管２５は、燃料ガス出口管２３及びガスセンサ１４を通過してきた使用済みの燃料ガス１を排出する配管である。
【００５０】
酸化剤ガス供給管２１は、酸化剤ガス２を酸化剤供給室４へ供給する配管である。供給された酸化剤ガス２は、セルチューブ３の外周部の空気極に達し、その発電に寄与する。
酸化剤ガス排出管２２は、酸化剤供給室４で使用された使用済み酸化剤ガス４を排出する配管である。
【００５１】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、プロパンや都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００５２】
では、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図１を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、燃料電池の立ち上げを行なう。
まず、酸化剤供給室４へ、酸化剤ガス供給管２１を介して酸化剤ガス２を供給する。供給する際、酸化剤ガス２を、ある一定の昇温速度で予熱することにより、発電部（酸化剤供給室４内のセルチューブ３及びその周辺部）も一定の昇温速度で昇温する。
【００５３】
一方、燃料ガス１は、発電部の温度が低く、発電がなされていない状況においては、まず、低水素濃度（数％程度）の燃料ガス１を供給する。燃料ガス１は、その流量を調整するガス調整弁１５により流量を調整されながら、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０を経由してヘッダ５へ供給される。そして、燃料電池システム内の全てのセルチューブ３における全ての燃料極及びリード膜が還元されるように、燃料ガス１が、各燃料電池セル管の開放端を有する内管である案内管１２へ分配、供給される。そして、案内管１２を通ってセルチューブ３の閉塞端である下端部（他端部）で折り返され、案内管１２とセルチューブ３との間、すなわち内管と外管との間を、セルチューブ３の上端部（一端部）へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分において、燃料ガス１が外周方向へ拡散する。そして、燃料ガス１中の水素が、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）の燃料極及びリード膜に達し、それらを還元する。その際、燃料極及びリード膜が供給される燃料ガス１中の水素を全て消費して水素が枯渇することが無いように制御する。そのために、以下のような制御を行なう。
【００５４】
図１を参照して、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧変化を監視し、その値に異常が起こらないように、電圧の測定結果に基づいて、ガス調整弁１５を制御し、燃料ガス１を供給量を調整している。そうしていれば、供給された燃料ガス１中の水素濃度の不足が起きることはない。その他の燃料電池セルは、燃料電池セル１１よりも燃料ガス１中の水素濃度が多いので、燃料電池セル１１で問題が無ければ、問題は発生しない。
【００５５】
更に、上記のように燃料電池セル１１においても充分な量の燃料ガス１が供給されていることを前提として、以下のような制御を行なう。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、安全の面から５％以下に抑えて、かつゼロでない一定の値を保つように、ガス調整弁１５を制御する。５％以下に保つのは、爆発下限界を考慮した安全の面からの理由と、還元用水素の利用率という効率の面からであり、ゼロでない一定値に保つ（＝余剰の水素がある）のは、セルチューブ３における還元処理に充分な水素を安定的に供給するためである。
【００５６】
図２を参照して、更に説明する。縦軸は、左側が燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）であり、右側が燃料電池の燃料の出口での水素濃度（出口水素濃度）である。横軸は、燃料電池システム内の温度である。還元処理は炉内の温度を少しずつ上昇させながら進める。還元が終了して温度が充分に高くなり発電の準備が整うまでは、安全のために、供給する燃料ガス中の水素濃度を低くしている。そして、セルチューブ３の燃料極及びリード膜を還元して排出される使用済みの燃料ガス１の出口ガス濃度は、５％で低く一定値に抑えている。しかし、使用済みの状態で、まだ５％の水素ガス濃度があることから、供給される燃料ガス１は必要量はあったということが出来る。
【００５７】
更に、図２において、燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）は、温度と共に緩やかに上昇しており、還元が良好に進んでいる。すなわち、十分な量の水素ガスがあり、温度律速で還元が進んでいることが分かる。
実際の制御としては、まず、制御部１３は、出口水素濃度を予め設定した値（ここでは、５％）に設定し、ガス調整弁１５を調整して出口水素濃度５％を維持しながら、燃料ガスを流す。
一方、制御部１３は、温度と開放電圧との関係のデータを（図示しない記憶部に）有し、発電部の温度とデータから予測される開放電圧と、実際の開放電圧（燃料電池セル１１）とを比較する。
そして、制御部１３は、燃料電池セル１１の開放電圧（ＶＯＣ）が、ある一定の水準（例えば予測値の±１０％）以内の場合、異常無しとして、そのままの制御を続ける。しかし、実際の開放電圧が、一定の水準を下回った場合、ガス調整弁１５を調整し、燃料（水素）を増加させ、開放電圧を適切な値になるようにする。
【００５８】
続いて、温度が充分に上がった段階で、測定された開放電圧（燃料電池セル１１）が予め設定した値（例えば１．２Ｖ）以上の場合、制御部１３は、還元が充分に進んでいると判断し、微弱な初期電流を流し、各セルチューブ３の燃料電池セル及びリード膜が充分な性能を有しているかを調べる。
図４を参照して、横軸はセルチューブ３の燃料電池セルを流れる電流である。また、縦軸は、セルチューブ毎、（或いはセルチューブのグループ毎）の電圧である。燃料電池セルの還元が上手くいっていれば、曲線ａに示すような電流電圧特性を示す。
制御部１３は、微弱電流と電圧との関係が、予め（図示しない記憶部に）有する電流と電圧との関係の基準データと、実際の微弱電流と電圧との関係とを比較し、ある一定の水準（例えば基準データの±２％）以内の場合、異常無しとする。しかし、実際の微弱電流と電圧との関係還元が、一定の水準を下回った場合、還元が不充分と判断し、電流を切り、還元処理を再度行う。例えば、曲線ｂに示す電流電圧特性では、内部抵抗が非常に大きく、還元が不充分である。
【００５９】
曲線ｂに示す状態は、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１よりも、更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０における還元が不足し、リード膜１０の抵抗が高い可能性がある。従って、それを防ぐためには、図３に示すように燃料電池セル１１ではなく、リード膜１０の抵抗を監視しておけば良い。図３の構成は、図１と同様であり、ただし、計測ラインＡ１７及び計測ラインＢ１８をリード膜１０に接続している点が図１と異なる。図１と図３とを一緒にして、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１及び更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０に計測ラインを接続し、制御部１３において制御に用いれば、還元処理をより確実に行なうことが可能である。
【００６０】
微弱な初期電流を流し、図４における曲線ａのような電流電圧特性が得られれば、燃料電池セルは良好な状態であり、通常の発電を開始する。
【００６１】
供給室８内に燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９とガス調節弁１５とを介して燃料ガス導入管２０から供給される。燃料ガス１は、各案内管１２に対してばらつきの無い流量で流入する。燃料ガス１は、案内管１２を進み、案内管１２の下端部（他端部）から出たところでセルチューブ３の下端部（他端部）からセルチューブ３内で案内管１２の外側を、セルチューブ３の上端（一端）へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル１１のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セルのカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セルにおける電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【００６２】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の上端部（一端部）から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【００６３】
以上のプロセスにより、セルチューブ３におけるリード膜１０及び燃料電池セルの燃料極での、初期の還元処理を自動的に行なうことが可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【００６４】
（実施例２）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第二の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池システムの第二の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管の外管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ａ６と管板Ｂ７と供給室８と排出室９とを有するヘッダ５、リード膜１０、燃料電池セル１１、燃料電池セル管の内管としての案内管１２、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４からなる。なお、図１の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００６５】
本発明においては、定常時の燃料電池システムの運転時に、燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分（図１、燃料電池セル１１）の電圧を自動監視（図１、制御部１３）し、燃料電池システムにおける燃料ガス１の異常時の燃料電池セルやリード膜の電圧変化に基づいて、自動的に燃料流量（濃度）を適切に制御（図１、制御部１３）することにより、インターロックなどによる急激なシャットダウンを起こさずに、安全に事態を処理する点が、従来の技術と異なる。
燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分における電圧に着目しているので、その部分において必要な燃料が供給し、適切に対処すれば、他の部分については問題が起こることは無い。従って、燃料電池システム全体としての安定性・信頼性が確保できる。また、電圧を取得し、それに基づいて自動的に制御を行なうので、個々人の能力に依存しない安定的な方法であり、かつ人手の必要のない効率的な方法である。従って、発電における信頼性が高まり、故障の確率も減り、コストを削減することが可能となる。
【００６６】
以下に各構成を詳細に説明する。
図１を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【００６７】
制御部１３は、燃料電池セル１１からの計測ラインＡ１７（後述）と計測ラインＢ１８（後述）とを介した電圧出力に基づいて、調整弁制御ライン１６を介してガス調整弁１５を調整し、燃料ガス１の供給量を制御する制御装置である。例えば、燃料電池セル１１の出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓ以下になった場合、燃料ガス１の供給量を自動的に除々に増加させ、出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上を維持するようにする。基準電圧Ｖｓのデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
また、ガスセンサ１４（後述）からのガスセンサライン２４を介した使用済み燃料ガス１の水素濃度に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御することも可能である。その際、予め設定された基準水素濃度ＣＨ２に入るように、供給側の水素濃度を調整する。基準水素濃度ＣＨ２のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
更に、両方を同時に参考にして、供給する燃料ガス１の供給量を決定することも可能である。その際、基準電圧Ｖｓと基準水素濃度ＣＨ２と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
【００６８】
なお、制御部１３は、燃料ガス１の制御だけでなく、燃料電池システム全体の制御を行なうための制御装置と一体とすることも、別とすることも可能である。
【００６９】
上記以外の制御部１３の機能及び、他の構成の機能については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００７０】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、プロパンや都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００７１】
では、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第二の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図１を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、定常運転時には、供給室８内に水素やメタンと水蒸気のような燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９に供給される。そして、制御部１３に制御されたガス調整弁１５において流量が調整されながら、燃料ガス導入管２０に達する。その後、供給室８に供給され、そこから燃料ガス１は、各燃料電池セル管の開放端を有する内管である案内管１２へに対してばらつきの無い流量で流入する。
【００７２】
燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０からの燃料ガス１は、案内管１２を進み、案内管１２の下端部（他端部）から出たところでセルチューブ３の閉塞端である下端部（他端部）にぶつかる。そして、燃料ガス１は、そこから折り返され、セルチューブ３内で案内管１２の外側、すなわち内管と外管との間を、セルチューブ３の上端部（一端部）へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）における電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【００７３】
この時、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧の測定結果に基づいて、制御部１３は、燃料ガス１の流量を調整するためにガス調節弁１５の制御を行なう。
【００７４】
上記のように燃料電池セル１１において、充分な量の燃料ガス１が供給され、正常な運転がなされていることを前提として、以下のような制御を行なうことも可能である。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、予め設定された値以下に抑えるようにする。設定値以下に保つのは、燃料利用率を、予め設定された値以上に保つためである。
【００７５】
図５を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。
運転中のある時点（ｔＡの直前）において、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、一定時間経過の後、時間ｔＡにおいて、制御部１３は、ガス調節弁１５を調整して燃料ガス１流量を少しずつ増加させる。そして、それにより、各燃料電池セルへの燃料ガス１の供給が増え、燃料電池セル１１の出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上に回復させることができるように、制御部１３は、ガス調節弁１５を制御する。
【００７６】
このとき、燃料ガス１流量を大幅に増やすのではなく、基準電圧Ｖｓを満たす程度（曲線ｃの時間ｔＡにおける電圧変化を参照）に少しだけ増やすのが重要である。これにより、燃料側と空気側との間に大きな差圧を発生させることはない。
【００７７】
従来例を図６に示す。図６を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。従来、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、インターロックを発生させ、負荷遮断を行ない、燃料電池セルを保護していた。しかし、電流停止に伴う急激なガス流量変化により、燃料側と空気側との間に大きな差圧が発生し、セルを損傷する可能性があった。しかし、本実施例では、上記のように電流を停止せず（負荷遮断を行なわず）、燃料ガス１の流量変化も極力抑えるようにしているので、セルを損傷する可能性が無く、安全で信頼性の高い方法である。
【００７８】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の上端部（一端部）から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【００７９】
以上のプロセスにより、セルチューブ３における燃料電池セルの電圧値を監視により、燃料電池セルの出力異常に対する自動的な対応が可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【００８０】
（実施例３）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明である燃料電池システムの第三の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ｃ２６、管板Ｄ２７、供給室８、排出室９、リード膜１０、燃料電池セル１１、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４、支持体Ａ２８、支持体Ｂ２９からなる。なお、図７の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００８１】
本実施例では、セルチューブ３が両端支持（縦置き、横置き双方可能）となる。すなわち、支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ｃ２６及び排出室９側の管板Ｄ２７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブを支持しつつ、支持して入る断熱材とは別にシール専用の部材を導入している。燃料ガス１は、供給室８からセルチューブ３に進入し、排出室９へ排出されるという一方向（ワンスルー）のガスの流れである。従って、案内管が不用な構造である。以上の点が、実施例１と異なる。
【００８２】
以下に各構成を詳細に説明する。
図７を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【００８３】
燃料電池セル管としてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの基体管の外周面に燃料電池セルを形成された、燃焼電池を構成する円筒型の管である。セルチューブ３は、一端側を供給室８（後述）に、他端側を排出室９（後述）に嵌合され、支持されている。そして、一端側が供給室８（後述）と、他端側が排出室９（後述）とガスの出入りが出来るように開放されている。内部に、実施例１〜実施例２にある案内管を、含んでいない。材質は、例えばジルコニアなどである。図７においては、３本のみを代表として図示しているが、複数存在し、燃料電池システムの規模に応じて、本数を決定する。
基体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層され、燃料電池。を形成している（図示せず）。それぞれのセル同士は、インターコネクタで接合されている（図示せず）。燃料ガス１が、供給室８（後述）を経由して、セルチューブ３の一端部よりセルチューブ３の燃料電池セルへ供給される。そして、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達し、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。
【００８４】
燃料電池セル１１は、燃料極、電解質、空気極が、この順に積層された燃料電池セルである。本実施例では、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなるセルチューブ３において、燃料（水素）供給量が最も少なくなるセルチューブ３の他端部（排出室９側）の最も端にある燃料電池セルを指す。すなわち、最も、燃料ガス１が届き難い場所である。燃料極（アノード）は、電解質が酸素イオン導電体の場合、電解質中を輸送される酸素イオンと、燃料ガス１中の水素又は一酸化炭素とを結合させ、水又は二酸化炭素を生成するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ニッケル／ジルコニアである。電解質は、燃料電池セルが発電するための、酸素イオンを輸送する酸素イオン導電体である。本実施例では、安定化ジルコニアである。空気極（カソード）は、電解質が酸素イオン導電体の場合、酸化剤ガス２中の酸素をイオン化し、電解質へ供給するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ランタンマンガナイトである。
【００８５】
燃料電池セルは、燃料電池システム内に複数存在するセルチューブ３に複数個存在し、セルチューブ３上の円周に沿って１周全てに連続的に形成され、かつ、セルチューブ３の長手方向では一定の幅毎に形成される。隣同士の燃料電池セルは、インタコネクタ（図示せず、金属膜）で直列に接続されている。燃料電池セル１１は、その中で、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなる燃料電池セルである。
【００８６】
リード膜１０は、複数の燃料電池セル１１で発電した直流電力の一方の極を集電部（セルチューブ３の他端部（排出室９側）に接続される電極端子（図示せず））へ引き出すためのリード線の役割をする膜である。燃料電池システム運転中に、膜が酸化されないように、緻密な保護膜（金属酸化膜の絶縁層）が積層されている。セルチューブ３の最も上端部（一端部）寄りである燃料電池セル１１の空気極（又は燃料極）と接続している。そして、リード膜１０は、その空気極からセルチューブ３の外周部をその他端部まで延びている。周方向の幅は、発電する電力の大きさとそのリード膜１０の厚みにより、抵抗が充分低いように、設定される。
【００８７】
酸化剤供給室４は、供給室８（の管板Ｃ２６）と排出室９（の管板Ｄ２７）との間にあり、それらと隔離され、セルチューブ３を含んでいる。セルチューブ３に酸化剤ガスを供給する室である。そして、内部の管板Ｃ２６及び管板Ｄ２７それぞれの近傍に、支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９をそれぞれ固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００８８】
供給室８は、セルチューブ３の一端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス１の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。一方の面は管板Ｃ２６（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ｃ２６と連結、接合している。複数存在する各セルチューブ３へ、均等に燃料ガス１を供給する、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００８９】
排出室９は、セルチューブ３の他端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。使用済みの燃料ガス１の排出を行なうためのガス排出口９−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。一方の面は管板Ｄ２７（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｄ２７と連結、接合している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００９０】
管板Ｃ２６は、供給室８の一方の面の板であり、セルチューブ３を接続するための穴が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチューブ３と、セルチューブ３の一端部でガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ｃ２６とセルチューブ３との隙間からガスをリークさせないために、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、ステンレスや耐熱合金などの薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００９１】
管板Ｄ２７は、排出室９の一方の面の板であり、セルチューブ３を接続するための穴が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチューブ３と、セルチューブ３の他端部でガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ｄ２７とセルチューブ３との隙間からガスをリークさせないために、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、ステンレスや耐熱合金などの薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００９２】
次に、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０について説明する。
燃料ガス供給管１９は、燃料ガス１を供給室８へ供給する配管の一つである。そして、一端部は、燃料ガス１の流量を調整するガス調整弁１５に接続し、燃料ガス１を燃料ガス導入管２０へ流している。
【００９３】
燃料ガス導入管２０は、燃料ガス１を供給室８へ供給する配管の一つである。その一端部を燃料ガス１の流量を調整するガス調整弁１５に接続し、他端部を供給室８のガス供給口８−１に連結し、供給室８側に開放されて接合している。燃料ガス供給管１９から来た燃料ガス１を供給室８へ供給する。
【００９４】
次に、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５について説明する。
燃料ガス出口管２３は、使用済みの燃料ガス１を排出室９より排出する配管の１つである。その一端部を排出室９のガス排出口９−１に連結し、排出室９側に開放されて接合されている。また、他端部は、ガスセンサ１４に接続している。
【００９５】
燃料ガス排出管２５は、一端部をガスセンサ１４（後述）に接続している。燃料ガス出口管２３及びガスセンサ１４を通過してきた使用済みの燃料ガス１を排出する配管である。
【００９６】
支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９は、管板Ｃ２６及び管板Ｄ２７の近傍であって、供給室８及び排出室９の外側の酸化剤供給室４内に固定されている。そして、セルチューブ３上の両端部の燃料電池セルが無い部分において、セルチューブ３を支持している。また、セルチューブ３の発電側の熱を遮断し、管板Ｃ２６及び管板Ｄ２７、あるいは、セルチューブ３と管板Ｃ２６又は管板Ｄ２７との接合部であるガスシール部分について、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする多孔体などである。
【００９７】
なお、第一ガスとしての燃料ガス１は、水素、メタン、プロパン、都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、第二ガスとしての酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００９８】
図７における他の構成については、同番号の実施例１の構成と同様であるので、その説明を省略する。
【００９９】
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図７を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、燃料電池の立ち上げを行なう。
まず、酸化剤供給室４へ、酸化剤ガス供給管２１を介して酸化剤ガス２を供給する。供給する際、酸化剤ガス２を、ある一定の昇温速度で予熱することにより、発電部（酸化剤供給室４内のセルチューブ３及びその周辺部）も一定の昇温速度で昇温する。
【０１００】
一方、燃料ガス１は、発電部の温度が低く、発電がなされていない状況においては、まず、低水素濃度（数％程度）の燃料ガス１を供給する。燃料ガス１は、その流量を調整するガス調整弁１５により流量を調整されながら、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０を経由して供給室８へ供給される。そして、燃料電池システム内の全てのセルチューブ３における全ての燃料極及びリード膜が還元されるように、燃料ガス１が、セルチューブ３の一端部から各燃料電池セル管であるセルチューブ３へ分配、供給される。そして、セルチューブ３の他端部へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分において、燃料ガス１が外周方向へ拡散する。そして、燃料ガス１中の水素が、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）の燃料極及びリード膜に達し、それらを還元する。その際、燃料極及びリード膜が供給される燃料ガス１中の水素を全て消費して水素が枯渇することが無いように制御する。そのために、以下のような制御を行なう。
【０１０１】
図７を参照して、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧変化を監視し、その値に異常が起こらないように、電圧の測定結果に基づいて、ガス調整弁１５を制御し、燃料ガス１の供給量を調整している。そうしていれば、供給された燃料ガス１中の水素濃度の不足が起きることはない。その他の燃料電池セルは、燃料電池セル１１よりも燃料ガス１中の水素濃度が多いので、燃料電池セル１１で問題が無ければ、問題は発生しない。
【０１０２】
更に、上記のように燃料電池セル１１においても充分な量の燃料ガス１が供給されていることを前提として、以下のような制御を行なう。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、安全の面から５％以下に抑えて、かつゼロでない一定の値を保つように、ガス調整弁１５を制御する。５％以下に保つのは、爆発下限界を考慮した安全の面からの理由と、還元用水素の利用率という効率の面からであり、ゼロでない一定値に保つ（＝余剰の水素がある）のは、セルチューブ３における還元処理に充分な水素を安定的に供給するためである。
【０１０３】
図２を参照して、更に説明する。縦軸は、左側が燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）であり、右側が燃料電池の燃料の出口での水素濃度（出口水素濃度）である。横軸は、燃料電池システム内の温度である。還元処理は炉内の温度を少しずつ上昇させながら進める。還元が終了して温度が充分に高くなり発電の準備が整うまでは、安全のために、供給する燃料ガス中の水素濃度を低くしている。そして、セルチューブ３の燃料極及びリード膜を還元して排出される使用済みの燃料ガス１の出口ガス濃度は、５％で低く一定値に抑えている。しかし、使用済みの状態で、まだ５％の水素ガス濃度があることから、供給される燃料ガス１は必要量はあったということが出来る。
【０１０４】
更に、図２において、燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）は、温度と共に緩やかに上昇しており、還元が良好に進んでいる。すなわち、十分な量の水素ガスがあり、温度律速で還元が進んでいることが分かる。
実際の制御としては、まず、制御部１３は、出口水素濃度を予め設定した値（ここでは、５％）に設定し、ガス調整弁１５を調整して出口水素濃度５％を維持しながら、燃料ガスを流す。
一方、制御部１３は、温度と開放電圧との関係のデータを（図示しない記憶部に）有し、発電部の温度とデータから予測される開放電圧と、実際の開放電圧（燃料電池セル１１）とを比較する。
そして、制御部１３は、燃料電池セル１１の開放電圧（ＶＯＣ）が、ある一定の水準（例えば予測値の±１０％）以内の場合、異常無しとして、そのままの制御を続ける。しかし、実際の開放電圧が、一定の水準を下回った場合、ガス調整弁１５を調整し、燃料（水素）を増加させ、開放電圧を適切な値になるようにする。
【０１０５】
続いて、温度が充分に上がった段階で、測定された開放電圧（燃料電池セル１１）が予め設定した値（例えば１．２Ｖ）以上の場合、制御部１３は、還元が充分に進んでいると判断し、微弱な初期電流を流し、各セルチューブ３の燃料電池セル及びリード膜が充分な性能を有しているかを調べる。
図４を参照して、横軸はセルチューブ３の燃料電池セルを流れる電流である。また、縦軸は、セルチューブ毎、（或いはセルチューブのグループ毎）の電圧である。燃料電池セルの還元が上手くいっていれば、曲線ａに示すような電流電圧特性を示す。
制御部１３は、微弱電流と電圧との関係が、予め（図示しない記憶部に）有する電流と電圧との関係の基準データと、実際の微弱電流と電圧との関係とを比較し、ある一定の水準（例えば基準データの±２％）以内の場合、異常無しとする。しかし、実際の微弱電流と電圧との関係還元が、一定の水準を下回った場合、還元が不充分と判断し、電流を切り、還元処理を再度行う。例えば、曲線ｂに示す電流電圧特性では、内部抵抗が非常に大きく、還元が不充分である。
【０１０６】
曲線ｂに示す状態は、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１よりも、更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０における還元不足の可能性がある。従って、それを防ぐためには、図８に示すように燃料電池セル１１ではなく、リード膜１０の抵抗を監視しておけば良い。図８の構成は、図７と同様であり、ただし、計測ラインＡ１７及び計測ラインＢ１８をリード膜１０に接続している点が図７と異なる。図７と図８とを一緒にして、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１及び更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０に計測ラインを接続し、制御部１３において制御に用いれば、より還元処理を確実に行なうことが可能である。
【０１０７】
微弱な初期電流を流し、図４における曲線ａのような電流電圧特性が得られれば、燃料電池セルは良好な状態であり、通常の発電を開始する。
【０１０８】
供給室８内に燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９とガス調節弁１５とを介して燃料ガス導入管２０から供給される。燃料ガス１は、各セルチューブ３に対して、その一端部から、ばらつきの無い流量で流入し、セルチューブ３の他端部へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル１１のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セルのカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セルにおける電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【０１０９】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の他端部から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【０１１０】
以上のプロセスにより、セルチューブ３におけるリード膜１０及び燃料電池セルの燃料極での、初期の還元処理を自動的に行なうことが可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【０１１１】
（実施例４）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第四の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明である燃料電池システムの第四の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ｃ２６、管板Ｄ２７、供給室８、排出室９、リード膜１０、燃料電池セル１１、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４、支持体Ａ２８、支持体Ｂ２９からなる。なお、図７の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【０１１２】
本実施例では、セルチューブ３が両端支持（縦置き、横置き双方可能）となる。すなわち、支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ｃ２６及び排出室９側の管板Ｄ２７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブを支持しつつ、支持して入る断熱材とは別にシール専用の部材を導入している。燃料ガス１は、供給室８からセルチューブ３に進入し、排出室９へ排出されるという一方向（ワンスルー）のガスの流れである。従って、案内管が不用な構造である。以上の点が、実施例２と異なる。
【０１１３】
以下に各構成を詳細に説明する。
図７を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【０１１４】
制御部１３は、燃料電池セル１１からの計測ラインＡ１７（後述）と計測ラインＢ１８（後述）とを介した電圧出力に基づいて、調整弁制御ライン１６を介してガス調整弁１５を調整し、燃料ガス１の供給量を制御する制御装置である。例えば、燃料電池セル１１の出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓ以下になった場合、燃料ガス１の供給量を自動的に除々に増加させ、出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上を維持するようにする。基準電圧Ｖｓのデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
また、ガスセンサ１４（後述）からのガスセンサライン２４を介した使用済み燃料ガス１の水素濃度に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御することも可能である。その際、予め設定された基準水素濃度ＣＨ２に入るように、供給側の水素濃度を調整する。基準水素濃度ＣＨ２のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
更に、両方を同時に参考にして、供給する燃料ガス１の供給量を決定することも可能である。その際、基準電圧Ｖｓと基準水素濃度ＣＨ２と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
【０１１５】
なお、制御部１３は、燃料ガス１の制御だけでなく、燃料電池システム全体の制御を行なうための制御装置と一体とすることも、別とすることも可能である。
【０１１６】
上記以外の制御部１３の機能及び、他の構成の機能については、実施例３と同様であるので、その説明を省略する。
【０１１７】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、プロパンや都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【０１１８】
では、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第四の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図７を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、定常運転時には、供給室８内に水素やメタンと水蒸気のような燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９に供給される。そして、制御部１３に制御されたガス調整弁１５において流量が調整されながら、燃料ガス導入管２０に達する。その後、供給室８に供給され、そこから燃料ガス１は、各燃料電池セル管であるセルチューブ３へに対してばらつきの無い流量で流入する。
【０１１９】
燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０からの燃料ガス１は、供給室８からセルチューブ３の一端部へ供給され、他端部へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）における電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【０１２０】
この時、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧の測定結果に基づいて、制御部１３は、燃料ガス１の流量を調整するためにガス調節弁１５の制御を行なう。
【０１２１】
上記のように燃料電池セル１１において、充分な量の燃料ガス１が供給され、正常な運転がなされていることを前提として、以下のような制御を行なうことも可能である。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、予め設定された値以下に抑えるようにする。設定値以下に保つのは、燃料利用率を、予め設定された値以上に保つためである。
【０１２２】
図５を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。
運転中のある時点（ｔＡの直前）において、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、一定時間経過の後、時間ｔＡにおいて、制御部１３は、ガス調節弁１５を調整して燃料ガス１流量を少しずつ増加させる。そして、それにより、各燃料電池セルへの燃料ガス１の供給が増え、燃料電池セル１１の出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上に回復させることができるように、制御部１３はガス調節弁１５を制御する。
【０１２３】
このとき、燃料ガス１流量を大幅に増やすのではなく、基準電圧Ｖｓを満たす程度（曲線ｃの時間ｔＡにおける電圧変化を参照）に少しだけ増やすのが重要である。これにより、燃料側と空気側との間に大きな差圧を発生させることはない。
【０１２４】
従来例を図６に示す。図６を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。従来、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、インターロックを発生させ、負荷遮断を行ない、燃料電池セルを保護していた。しかし、電流停止に伴う急激なガス流量変化により、燃料側と空気側との間に大きな差圧が発生し、セルを損傷する可能性があった。しかし、本実施例では、上記のように電流を停止せず（負荷遮断を行なわず）、燃料ガス１の流量変化も極力抑えるようにしているので、セルを損傷する可能性が無く、安全で信頼性の高い方法である。
【０１２５】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の上端部（一端部）から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【０１２６】
以上のプロセスにより、セルチューブ３にける燃料電池セルの電圧値を監視により、燃料電池セルの出力異常に対する自動的な対応が可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【０１２７】
本発明により、セルチューブ３にけるリード膜及び燃料電池セルの燃料極での、初期の還元処理を、燃料電池セル１１の電圧監視により、自動的に行なうことが可能となる。従って、従来のような人的負担が必要無くなり、労力の削減が計れる。
【０１２８】
また、最も燃料（水素）ガスの供給量が少ない燃料電池セルのみについて監視すればよいので、装置が簡便であり、容易に実行が可能である。従って、低コストで行なうことが可能である。
【０１２９】
加えて、還元処理の不充分な燃料電池セル及びリード膜が無くなったことを確実に確認できるので、燃料電池システムの立上げを早期に確実に終了することが出来る。従って、故障や不安定な運転状況などを排除でき、信頼性及び安定性を向上させることが可能となる。
【０１３０】
また、燃料電池セルの電圧異常に対しても、急激なインターロックによる負荷遮断を行なうことなく、緩やかな燃料ガス１の流量制御により、燃料電池システムに負担のかからない対応を実施することが可能となる。従って、システムの信頼性や長期信頼性を有することが可能となる。
【０１３１】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池の状況に応じて水素濃度を自動的に制御することにより、燃料電池の電圧等を確認しながら、安定的に還元することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一及び第二実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態における開放電圧及び出口水素濃度と運転温度との関係を示す図である。
【図３】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一及び第二実施の形態の他の構成を示す図である。
【図４】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態における燃料電池セルの電圧と電流との関係を示す図である。
【図５】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態における燃料電池セルの電圧と運転時間との関係を示す図である。
【図６】従来例における燃料電池セルの電圧と運転時間との関係を示す図である。
【図７】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三及び第四実施の形態の構成を示す図である。
【図８】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三及び第四実施の形態の他の構成を示す図である。
【図９】従来の技術の実施の形態における開放電圧及び出口水素濃度と運転温度との関係を示す図である。
【図１０】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ 酸化剤ガス
３ セルチューブ
４ 酸化剤供給室
５ ヘッダ
６ 管板Ａ６
７ 管板Ｂ７
８ 供給室
９ 排出室
１０ リード膜
１１ 燃料電池セル
１２ 案内管
１３ 制御部
１４ ガスセンサ
１５ ガス調整弁
１６ 調整弁制御ライン
１７ 計測ラインＡ
１８ 計測ラインＢ
１９ 燃料ガス供給管
２０ 燃料ガス導入管
２１ 酸化剤ガス供給管
２２ 酸化剤ガス排出室
２３ 燃料ガス出口管
２４ ガスセンサライン
２５ 燃料ガス排出管
２６ 管板Ｃ
２７ 管板Ｄ
２８ 支持体Ａ
２９ 支持体Ｂ
１１０ ヘッダ
１１０ａ 仕切板
１１０ｂ 底板
１１０ｃ 供給室
１１０ｄ 排出室
１１１ セルチューブ
１１２ 案内管
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池発電システムの概略構成の一例を図１０に示す。ただし、図１０では、ガス供給源、ガスの予熱と熱交換に関する部分、及び、発電された電力の集電に関わる部分等は省略している。
【０００３】
図１０を参照して、燃料電池は、ガス供給部であるヘッダ１１０と、発電部であるセルチューブ１１１とを具備する。ヘッダ１１０は、仕切板１１０ａ、底板１１０ｂ、供給室１１０ｃ、排出室１１０ｄを有する。また、セルチューブは、案内管１１２を有する。
【０００４】
ヘッダ１１０の内部は、仕切板１１０ａにより上下方向に区分けされ、上方が供給室１１０ｃ、下方が排出室１１０ｄとして構成されている。ヘッダ１１０の底板１１０ｂには、セルチューブ１１１の上端部（一端部）が排出室１１０ｄとガスの出入りが出来るように連結され、支持されている。セルチューブ１１１の下端部（他端部）は、閉塞されている。セルチューブ１１１の内部には、案内管１１２が、同軸をなして挿入されている。案内管１１２は、その一端部（上端部）が、上記供給室１１０ｃとガスの出入りが出来るように、上記仕切板１１０ａに連結され、支持されている。このようなセルチューブ１１１及び案内管１１２は、複数本存在し、ヘッダ１１０に連結され、支持されている。ここで、セルチューブ１１１は、多孔質の基体管の外周面に燃料電池セルを形成された燃焼電池を構成する円筒型セルチューブである。
【０００５】
セルチューブ１１１上に形成された燃料電池セル（図示せず）は、燃料極−電解質−空気極（積層）を一つの単位として、セルチューブ１１１の基体管の外周表面において、基体管の長手方向に一定の幅毎に複数連続して形成されている。そして、隣接する燃料電池セルの電解質及び空気極と燃料極とが、インタコネクタの膜で接合されている。インタコネクタ上には、インタコネクタを保護するための保護膜が形成される場合もある。
【０００６】
このような構成をなす燃料電池の定常的な運転では、供給室１１０ｃ内に水素やメタンのような燃料ガス１を供給すると共に、セルチューブ１１１の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２を供給する。そうすると、燃料ガス１が各案内管１１２に対してばらつきの無い流量で流入して、案内管１１２の先端まで達する。しかる後、燃料ガス１は、セルチューブ１１１内の閉塞された下端部（他端部）より折り返し、セルチューブ１１１の下端部（他端部）から上端部（一端側）へ向かって流通する。そして、基体管の側面（壁面）を外側に向かって拡散し、燃料極に達する。一方、酸化剤ガス２は、外部から進入し、セルチューブ１１１の外周部上の空気極に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２がセルチューブ１１１の前記燃料電池セル２で電気化学的に反応して電力を発生する。
【０００７】
しかし、製造後最初の運転の場合には、装置立上げ時に、まず、酸化している電極（燃料極）や、リード線の機能を有するリード膜の還元を行なう必要がある。すなわち、セルチューブ１１１は、電極等を全て酸化雰囲気で焼成して作製するため、電極等は全て酸化している。例えば、燃料極としてニッケルを用いる場合には、酸化ニッケルになっている。燃料電池として使用する際には、それらを還元し、本来の機能を果たせるようにする必要がある（酸化ニッケルをニッケルに還元する）。
【０００８】
その場合、還元作業においては、燃料電池の全体の電圧を監視しながら、水素流量を増加させる。
図９を参照して、説明する。縦軸は、左側が燃料電池セル１個当たりの開放電圧であり、右側が燃料電池の燃料の出口での水素濃度（出口水素濃度）である。横軸は、燃料電池システム内の温度である。還元処理は炉内の温度を少しずつ上昇させながら進める。また、温度の低い段階では、安全のために、供給する燃料ガス中の水素濃度を低くしている。
【０００９】
温度の上昇と共に、燃料極の還元が進行する。それに伴い、水素が消費され、開放電圧（ＯＣＶ）が増加し、出口水素濃度が低下する。水素が枯渇すると、金属の集電部分が酸化され発電不可能になる。それを避ける為に、出口水素濃度が０％になる直前に、供給する燃料ガス中の水素濃度を上昇させ、出口水素濃度を５％程度になるように上昇させる。５％までしか上げないのは、安全（水素の爆発下限界を考慮）のためと、燃料の無駄を無くすためである。そして、このプロセスを、燃料電池システム内の温度が、７００〜１０００℃となり、かつ燃料電池セル１個当たりの開放電圧が概ね１．２Ｖになるまで続ける。
【００１０】
その水素濃度の調整は、燃料電池の全体の電圧を監視しながら、燃料電池全体での水素濃度を調整する方法をとっているので、供給する水素濃度の変化に対する出口水素濃度の応答の予測が難しいこと、個々の燃料電池セルにおける供給する燃料ガス中の水素濃度のばらつきを考慮できないこと、等の困難な点があり自動化が難しい状況であった。
【００１１】
また、燃料極及びリード膜の還元の確認は、微弱な電流を流すことにより、その電圧降下により行なっていた。水素濃度が低い状況で、それを行なうと、過電流を流してセルを損傷する可能性がある。従って、微弱電流の調整は、自動化が難しい状況であった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、燃料電池の電極等を安定的に還元することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１３】
また、別の目的としては、燃料電池の電極等の還元の状態を安定的に確認することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１４】
更に、別の目的としては、燃料電池の燃料ガスの分配状況を確認することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１５】
更に、別の目的としては、燃料電池の状況に応じて水素濃度を自動的に制御することが可能な燃料電池システム及び燃料電池の運転方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本課題を解決するための手段の項における、図番号、符号は、特許請求の範囲と発明の実施の形態との対応を示すために記したものであり、特許請求の範囲の解釈に用いてはならない。
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図１、１）の流量を調整するガス調整部（図１、１５）を有する、燃料ガス（図１、１）を供給する燃料供給管（図１、１９・２０）と、開放端を有する内管（図１、１２）と閉塞端を有する外管（図１、３）の二重管構造を有し、外管（図１、３）の外面に燃料電池セルを形成した燃料電池セル管（図１、１２・３）と、燃料供給管（図１、１９・２０）からの燃料ガス（図１、１）が内管（図１、１２）を通ってその閉塞端で折り返され、内管（図１、１２）と外管（図１、３）との間を流れ、燃料ガス（図１、１）の流路の最終端に設けられた燃料電池セル（図１、１１）の電圧を測定し、その電圧の測定結果に基づいて、ガス調節部（図１、１５）の制御を行なう制御部（図１、１３）とを具備する。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図７、１）の流量を調整するガス調整部（図７、１５）を有する、燃料ガス（図７、１）を供給する燃料供給管（図７、１９・２０）と、基体管の表面に燃料電池セルを形成した燃料電池セル管（図７、３）と、燃料供給管（図７、１９・２０）からの燃料ガス（図７、１）が燃料電池セル管（図７、３）を流れ、燃料ガス（図７、１）の流路の最終端に設けられた燃料電池セル（図７、１１）の電圧を測定し、その電圧の測定結果に基づいて、ガス調節部（図７、１５）の制御を行なう制御部（図７、１３）とを具備する。
【００１９】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図３、１）の流量を調整するガス調整部（図３、１５）を有する、燃料ガス（図３、１）を供給する燃料供給管（図３、１９・２０）と、開放端を有する内管（図３、１２）と閉塞端を有する外管（図３、３）の二重管構造を有し、外管（図３、３）の外面に燃料電池セルと、発電された電力を取出すリード膜とを形成した燃料電池セル管（図３、１２・３）と、燃料供給管（図３、１９・２０）からの燃料ガス（図３、１）が内管（図３、１２）を通ってその閉塞端で折り返され、内管（図３、１２）と外管（図３、３）との間を流れ、燃料ガス（図３、１）の流路の最終端に設けられたリード膜（図３、１１）の抵抗を測定し、その抵抗の測定結果に基づいて、ガス調節部（図３、１５）の制御を行なう制御部（図３、１３）とを具備する。
【００２０】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図８、１）の流量を調整するガス調整部（図８、１５）を有する、燃料ガス（図８、１）を供給する燃料供給管（図８、１９・２０）と、基体管の表面に燃料電池セルと、発電された電力を取出すリード膜とを形成した燃料電池セル管（図８、３）と、燃料供給管（図８、１９・２０）からの燃料ガス（図８、１）が燃料電池セル管（図８、３）を流れ、燃料ガス（図８、１）の流路の最終端に設けられたリード膜（図８、１０）の抵抗を測定し、その抵抗の測定結果に基づいて、ガス調節部（図８、１５）の制御を行なう制御部（図８、１３）と具備する。
【００２１】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス（図１／３／７／８、１）の排出時の水素濃度を測定するガスセンサ（図１／３／７／８、１４）を有する、燃料ガス（図１／３／７／８、１）を排出する燃料排出管（図１／３／７／８、２３・２５）とを更に具備し、制御部（図１／３／７／８、１３）は、その電圧の測定結果とその水素濃度測定の結果とに基づいて、ガス調節部（図１／３／７／８、１５）の制御を行なう。
【００２２】
更に、本発明の燃料電池システムは、燃料電池セル管（図１／３、１２・３；図７／８、３）が、他の燃料電池セル管よりも燃料ガス（図１／３／７／８、１）の供給量が少ない。
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池運転方法は、基体管の表面に形成された燃料電池セルに燃料ガス（図１／７、１）を供給するステップと、その燃料電池セルの内、燃料ガス（図１／７、１）の流路における最後の燃料電池セル（図１／７、１１）の電圧を測定するステップと、その電圧の測定結果に基づいて、燃料ガス（図１／７、１）の供給量を制御するステップとを具備する。
【００２４】
また、本発明の燃料電池運転方法は、基体管の表面に形成された燃料電池セルが発電した電力を取出すリード膜に燃料ガス（図３／８、１）を供給するステップと、そのリード膜の内、燃料ガス（図３／８、１）の流路における最後のリード膜（図３／８、１０）の抵抗を測定するステップと、そのリード抵抗の測定結果に基づいて、燃料ガス（図３／８、１）の供給量を制御するステップとを具備する。
【００２５】
更に、本発明の燃料電池運転方法は、燃料ガス（図１／３／７／８、１）の排出時の水素濃度を測定するステップとを更に具備し、燃料ガス（図１／３／７／８、１）の供給量を制御するステップは、その電圧又は抵抗測定の結果とその水素濃度測定の結果に基づいて行なわれる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、筒型のうち円筒型の燃料電池セル管を有する燃料電池システムとその運転方法に関して例を示して説明するが、他の燃料電池にも適用が可能である。なお、各実施の形態において同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
【００２７】
（実施例１）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池システムの第一の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管の外管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ａ６と管板Ｂ７と供給室８と排出室９とを有するヘッダ５、リード膜１０、燃料電池セル１１、燃料電池セル管の内管としての案内管１２、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４からなる。なお、図１の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００２８】
本発明においては、燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分（図１、燃料電池セル１１）の電圧を自動監視（図１、制御部１３）しながら、自動的に燃料流量（濃度）を制御（図１、制御部１３）し、電極やリード膜の還元を良好に行なわせる点が、従来の技術と異なる。
燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分における電圧に着目しているので、その部分において必要な燃料が供給されれば、他の部分については問題が起こることは無い。従って、燃料電池システム全体としての安定性・信頼性が確保できる。また、電圧を取得し、それに基づいて自動的に制御を行なうので、個々人の能力に依存しない安定的な方法であり、かつ人手の必要のない効率的な方法である。従って、発電における信頼性が高まり、故障の確率も減り、コストを削減することが可能となる。
【００２９】
以下に各構成を詳細に説明する。
図１を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【００３０】
燃料電池セル管の外管としてのとしてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの基体管の外周面に燃料電池セルを形成された、燃焼電池を構成する円筒型の管である。セルチューブ３は、一端側を排出室９（後述）の管板Ｂ７（後述）に開放されて接合され、支持されている。また、他端側は、閉塞され、酸化剤供給室４へ延びている。セルチューブ３の内部には、案内管１２を有している。セルチューブ３の材質は、ジルコニアである。図１においては、１本のみを代表として図示しているが、複数存在し、燃料電池システムの規模に応じて、本数を決定する。
基体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層され、燃料電池セルを形成している（図示せず）。それぞれのセル同士は、インターコネクタで接合されている（図示せず）。燃料ガス１が、案内管１２（後述）を経由して、セルチューブ３の下端部（他端部）よりセルチューブ３の燃料電池セルへ供給される。そして、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達し、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。
【００３１】
燃料電池セル１１は、燃料極、電解質、空気極が、この順に積層された燃料電池セルである。本実施例では、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなるセルチューブ３において、燃料（水素）供給量が最も少なくなるセルチューブ３の上端部（一端部）側の最も端にある燃料電池セルを指す。燃料極（アノードは、電解質が酸素イオン導電体の場合、電解質中を輸送される酸素イオンと、燃料ガス１中の水素又は一酸化炭素とを結合させ、水又は二酸化炭素を生成するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ニッケル／ジルコニアである。電解質は、燃料電池セルが発電するための、酸素イオンを輸送する酸素イオン導電体である。本実施例では、安定化ジルコニアである。空気極（カソード）は、電解質が酸素イオン導電体の場合、酸化剤ガス２中の酸素をイオン化し、電解質へ供給するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ランタンマンガナイトである。
【００３２】
燃料電池セルは、燃料電池システム内に複数存在するセルチューブ３に複数個存在し、セルチューブ３上の円周に沿って１周全てに連続的に形成され、かつ、セルチューブ３の長手方向では一定の幅毎に形成される。隣同士の燃料電池セルは、インタコネクタ（図示せず、セラミックスまたは金属膜）で直列に接続されている。燃料電池セル１１は、その中で、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなる燃料電池セルである。
【００３３】
リード膜１０は、複数の燃料電池セル１１で発電した直流電力の一方の極を集電部（セルチューブ３の上端部（一端部）に接続される電極端子（図示せず））へ引き出すためのリード線の役割をする膜である。燃料電池システム運転中に、膜が酸化されないように、緻密な保護膜（金属酸化膜の絶縁層）が積層されている。セルチューブ３の最も上端部（一端部）寄りである燃料電池セル１１の空気極（又は燃料極）と接続している。そして、リード膜１０は、その空気極からセルチューブ３の外周部をその上端部（一端部）まで延びている。周方向の幅は、発電する電力の大きさとそのリード膜２２の厚みにより、抵抗が充分低いように、発電基体管全面であっても、ある特定の幅であってもよい。
【００３４】
燃料電池セル管の内管としての案内管１２は、その上端部（一端部）で、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ａ６と連結し、開放されて接合している。そして、下端部（他端部）は、セルチューブ３の内部の下端（他端、閉塞している）付近において、そこに接することなく、開放されている。
供給室に入った燃料ガス１は、案内管１２の下端部（他端部＝セルチューブ３の下端（他端））に達し、そこから出て、セルチューブ３の内部であって案内管１２の外部を、セルチューブ３の上端部（一端部）へ向けて移動する。ガスは、その移動の間に、セルチューブ３の側面を、その外側に向けて拡散し、チューブ外側に設けられた燃料電池セルに達する。そして、そこにおいて行なわれる発電に寄与する。
【００３５】
燃料電池セル管は、内管としての案内管１２と外管としてのセルチューブ３とが二重管構造を成しており、その外面に燃料電池セル及びリード膜が形成されている。
【００３６】
制御部１３は、燃料電池セル１１からの計測ラインＡ１７（後述）と計測ラインＢ１８（後述）とを介した電圧出力に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御する制御装置である。その際、予め設定された燃料電池セル１１の出力電圧と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
また、ガスセンサ１４（後述）からのガスセンサライン２４を介した使用済み燃料ガス１の水素濃度に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御することも可能である。その際、予め設定された水素濃度に入るように、供給側の水素濃度を調整する。
更に、両方を同時に参考にして、供給する燃料ガス１の供給量を決定することも可能である。その際、予め設定された燃料電池セル１１の出力電圧と使用済み燃料ガス１の水素濃度と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
【００３７】
なお、制御部１３は、燃料ガス１の制御だけでなく、燃料電池システム全体の制御を行なうための制御装置と一体とすることも、別とすることも可能である。
【００３８】
計測ラインＡ１７は、燃料電池セル１１の電圧を測定するための電圧端子及びそのリード線である。燃料電池セル１１の一方の電極（例えば燃料極）と、制御部１３の測定端子とを接続している。
同様に、計測ラインＢ１８は、燃料電池セル１１の電圧を測定するための電圧端子及びそのリード線である。燃料電池セル１１の他方の電極（例えば空気極）と、制御部１３の測定端子とを接続している。
【００３９】
ガスセンサ１４は、燃料ガス出口管２３のヘッダ５と反対の側の端部と、燃料ガス排出管２５との間に設置されている水素ガス用のセンサである。センサ及びガスを流通させる配管とから成る。内部を通過する使用済み燃料ガス１中に含まれる水素ガスの濃度を測定する。
ガスセンサライン２４は、一端部をガスセンサ１４に、他端部を制御部１３に接続している。ガスセンサ１４で測定されたデータの出力を制御部１３へ送るラインである。
【００４０】
ガス調整部としてのガス調整弁１５は、燃料ガス供給管１９の途中に接続される。制御部１３から出力される信号に基づいて、燃料ガス１のヘッダ５（セルチューブ３）への供給量を調整する調整弁である。
調整弁制御ライン１６は、一端部を制御部１３に、他端部をガス調整弁１５に接続している。制御部１３で設定されたガス供給量に関わる信号を、ガス調整弁１５へ送るラインである。
【００４１】
酸化剤供給室４は、ヘッダ５（後述）の下方（一方）の側に隣接し、ヘッダ５の燃料ガスと、酸化剤供給室４の酸化剤ガスが混合しないように隔離されている。そして、セルチューブ３の大部分を含んでおり、セルチューブ３に酸化剤ガスを供給する室である。
【００４２】
次に、供給室８と、排出室９と、管板Ａ６と、管板Ｂ７とを有するヘッダ５について説明する。
供給室８は、案内管１２の上端部（一端部）の上部にあり、中空の直方体又は円柱状の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス導入管２０（後述）から燃料ガス１の供給を受ける。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。上部の天板には、燃料ガス導入管２０が連結し、開放されて接続している。また、底面は管板Ａ６（後述）であり、案内管１２が取付けられている。案内管１２は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ａ６と連結し、開放されて接合している。供給室８は、複数存在する各セルチューブ３へ、均等に燃料ガス１を供給する。それと共に、各セルチューブ３の支持も行なう、金属製の室である。
【００４３】
排出室９は、セルチューブ３の上端部（一端部）の上部にあり、中空の直方体又は円柱状の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス出口管２３（後述）から使用済みの燃料ガス１を排出する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。上部の天板は管板Ａ６（後述）であり、燃料ガス出口管２３が連結し、開放されて接続している。また、底面は管板Ｂ７（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｂ７と連結し、開放されて接合している。それと共に、セルの支持も行なう、金属製の室である。
【００４４】
管板Ａ６は、供給室８の底面の板であり、案内管１２を接続するための孔が（案内管１２の数だけ）開口している。案内管１２と、案内管１２の上端部（一端部）で、供給室８からの燃料ガス１の出入りが出来るように連結し、供給室８側に開放されて接合している。そして、案内管１２を強固に支持している、金属製の板である。また、燃料ガス出口管２３と、排出室９からの燃料ガス１の出入りが出来るように連結し、排出室９側に開放されて接合している。
【００４５】
管板Ｂ７は、排出室９の底面の板であり、セルチューブ３を接続するための孔が（セルチューブ３の数だけ）開口している。また、セルチューブ３とセルチューブ３の上端部（一端部）で燃料ガス１の出入りが出来るように連結し、排出室９側に開放されて接合している。そして、セルチューブ３を支持している、金属製の板である。
【００４６】
次に、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９と燃料ガス導入管２０について説明する。
燃料ガス供給管１９は、燃料ガス１をヘッダ５へ供給する配管の一つである。途中に、燃料ガス１の流量を調整するガス調整弁１５を有している。そして、一端部は、燃料ガス導入管２０に接続し、燃料ガス１を燃料ガス導入管２０へ流している。
【００４７】
燃料ガス導入管２０は、燃料ガス１をヘッダ５へ供給する配管の一つである。その一端部を燃料ガス供給管１９に接続し、他端部をヘッダ５の供給室８の天板に連結し、供給室８側に開放されて接合している。また、燃料ガス出口管２３と同軸の二重管構造を成している。ただし、燃料ガス導入管２０は外管、燃料ガス出口管２３は内管である。燃料ガス供給管１９から来た燃料ガス１を供給室８へ供給する。
【００４８】
次に、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３と燃料ガス排出管２５について説明する。
燃料ガス出口管２３は、使用済みの燃料ガス１をヘッダより排出する配管の１つである。その一端部をヘッダ５の排出室９の天板である管板Ａ６に連結し、排出室９側に開放されて接合されている。また、他端部は、ヘッダ５から離れる方向に延び、その途中の部分は、燃料ガス導入管２０と同軸の二重管構造を成している。ただし、燃料ガス導入管２０は外管、燃料ガス出口管２３は内管である。そして、二重管構造の先の他端部には、ガスセンサ１４を有している。
【００４９】
燃料ガス排出管２５は、燃料ガス出口管２３及びガスセンサ１４を通過してきた使用済みの燃料ガス１を排出する配管である。
【００５０】
酸化剤ガス供給管２１は、酸化剤ガス２を酸化剤供給室４へ供給する配管である。供給された酸化剤ガス２は、セルチューブ３の外周部の空気極に達し、その発電に寄与する。
酸化剤ガス排出管２２は、酸化剤供給室４で使用された使用済み酸化剤ガス４を排出する配管である。
【００５１】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、プロパンや都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００５２】
では、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図１を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、燃料電池の立ち上げを行なう。
まず、酸化剤供給室４へ、酸化剤ガス供給管２１を介して酸化剤ガス２を供給する。供給する際、酸化剤ガス２を、ある一定の昇温速度で予熱することにより、発電部（酸化剤供給室４内のセルチューブ３及びその周辺部）も一定の昇温速度で昇温する。
【００５３】
一方、燃料ガス１は、発電部の温度が低く、発電がなされていない状況においては、まず、低水素濃度（数％程度）の燃料ガス１を供給する。燃料ガス１は、その流量を調整するガス調整弁１５により流量を調整されながら、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０を経由してヘッダ５へ供給される。そして、燃料電池システム内の全てのセルチューブ３における全ての燃料極及びリード膜が還元されるように、燃料ガス１が、各燃料電池セル管の開放端を有する内管である案内管１２へ分配、供給される。そして、案内管１２を通ってセルチューブ３の閉塞端である下端部（他端部）で折り返され、案内管１２とセルチューブ３との間、すなわち内管と外管との間を、セルチューブ３の上端部（一端部）へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分において、燃料ガス１が外周方向へ拡散する。そして、燃料ガス１中の水素が、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）の燃料極及びリード膜に達し、それらを還元する。その際、燃料極及びリード膜が供給される燃料ガス１中の水素を全て消費して水素が枯渇することが無いように制御する。そのために、以下のような制御を行なう。
【００５４】
図１を参照して、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧変化を監視し、その値に異常が起こらないように、電圧の測定結果に基づいて、ガス調整弁１５を制御し、燃料ガス１を供給量を調整している。そうしていれば、供給された燃料ガス１中の水素濃度の不足が起きることはない。その他の燃料電池セルは、燃料電池セル１１よりも燃料ガス１中の水素濃度が多いので、燃料電池セル１１で問題が無ければ、問題は発生しない。
【００５５】
更に、上記のように燃料電池セル１１においても充分な量の燃料ガス１が供給されていることを前提として、以下のような制御を行なう。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、安全の面から５％以下に抑えて、かつゼロでない一定の値を保つように、ガス調整弁１５を制御する。５％以下に保つのは、爆発下限界を考慮した安全の面からの理由と、還元用水素の利用率という効率の面からであり、ゼロでない一定値に保つ（＝余剰の水素がある）のは、セルチューブ３における還元処理に充分な水素を安定的に供給するためである。
【００５６】
図２を参照して、更に説明する。縦軸は、左側が燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）であり、右側が燃料電池の燃料の出口での水素濃度（出口水素濃度）である。横軸は、燃料電池システム内の温度である。還元処理は炉内の温度を少しずつ上昇させながら進める。還元が終了して温度が充分に高くなり発電の準備が整うまでは、安全のために、供給する燃料ガス中の水素濃度を低くしている。そして、セルチューブ３の燃料極及びリード膜を還元して排出される使用済みの燃料ガス１の出口ガス濃度は、５％で低く一定値に抑えている。しかし、使用済みの状態で、まだ５％の水素ガス濃度があることから、供給される燃料ガス１は必要量はあったということが出来る。
【００５７】
更に、図２において、燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）は、温度と共に緩やかに上昇しており、還元が良好に進んでいる。すなわち、十分な量の水素ガスがあり、温度律速で還元が進んでいることが分かる。
実際の制御としては、まず、制御部１３は、出口水素濃度を予め設定した値（ここでは、５％）に設定し、ガス調整弁１５を調整して出口水素濃度５％を維持しながら、燃料ガスを流す。
一方、制御部１３は、温度と開放電圧との関係のデータを（図示しない記憶部に）有し、発電部の温度とデータから予測される開放電圧と、実際の開放電圧（燃料電池セル１１）とを比較する。
そして、制御部１３は、燃料電池セル１１の開放電圧（ＶＯＣ）が、ある一定の水準（例えば予測値の±１０％）以内の場合、異常無しとして、そのままの制御を続ける。しかし、実際の開放電圧が、一定の水準を下回った場合、ガス調整弁１５を調整し、燃料（水素）を増加させ、開放電圧を適切な値になるようにする。
【００５８】
続いて、温度が充分に上がった段階で、測定された開放電圧（燃料電池セル１１）が予め設定した値（例えば１．２Ｖ）以上の場合、制御部１３は、還元が充分に進んでいると判断し、微弱な初期電流を流し、各セルチューブ３の燃料電池セル及びリード膜が充分な性能を有しているかを調べる。
図４を参照して、横軸はセルチューブ３の燃料電池セルを流れる電流である。また、縦軸は、セルチューブ毎、（或いはセルチューブのグループ毎）の電圧である。燃料電池セルの還元が上手くいっていれば、曲線ａに示すような電流電圧特性を示す。
制御部１３は、微弱電流と電圧との関係が、予め（図示しない記憶部に）有する電流と電圧との関係の基準データと、実際の微弱電流と電圧との関係とを比較し、ある一定の水準（例えば基準データの±２％）以内の場合、異常無しとする。しかし、実際の微弱電流と電圧との関係還元が、一定の水準を下回った場合、還元が不充分と判断し、電流を切り、還元処理を再度行う。例えば、曲線ｂに示す電流電圧特性では、内部抵抗が非常に大きく、還元が不充分である。
【００５９】
曲線ｂに示す状態は、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１よりも、更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０における還元が不足し、リード膜１０の抵抗が高い可能性がある。従って、それを防ぐためには、図３に示すように燃料電池セル１１ではなく、リード膜１０の抵抗を監視しておけば良い。図３の構成は、図１と同様であり、ただし、計測ラインＡ１７及び計測ラインＢ１８をリード膜１０に接続している点が図１と異なる。図１と図３とを一緒にして、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１及び更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０に計測ラインを接続し、制御部１３において制御に用いれば、還元処理をより確実に行なうことが可能である。
【００６０】
微弱な初期電流を流し、図４における曲線ａのような電流電圧特性が得られれば、燃料電池セルは良好な状態であり、通常の発電を開始する。
【００６１】
供給室８内に燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９とガス調節弁１５とを介して燃料ガス導入管２０から供給される。燃料ガス１は、各案内管１２に対してばらつきの無い流量で流入する。燃料ガス１は、案内管１２を進み、案内管１２の下端部（他端部）から出たところでセルチューブ３の下端部（他端部）からセルチューブ３内で案内管１２の外側を、セルチューブ３の上端（一端）へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル１１のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セルのカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セルにおける電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【００６２】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の上端部（一端部）から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【００６３】
以上のプロセスにより、セルチューブ３におけるリード膜１０及び燃料電池セルの燃料極での、初期の還元処理を自動的に行なうことが可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【００６４】
（実施例２）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第二の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明である燃料電池システムの第二の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管の外管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ａ６と管板Ｂ７と供給室８と排出室９とを有するヘッダ５、リード膜１０、燃料電池セル１１、燃料電池セル管の内管としての案内管１２、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４からなる。なお、図１の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００６５】
本発明においては、定常時の燃料電池システムの運転時に、燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分（図１、燃料電池セル１１）の電圧を自動監視（図１、制御部１３）し、燃料電池システムにおける燃料ガス１の異常時の燃料電池セルやリード膜の電圧変化に基づいて、自動的に燃料流量（濃度）を適切に制御（図１、制御部１３）することにより、インターロックなどによる急激なシャットダウンを起こさずに、安全に事態を処理する点が、従来の技術と異なる。
燃料（水素）供給量が最も少なくなる部分における電圧に着目しているので、その部分において必要な燃料が供給し、適切に対処すれば、他の部分については問題が起こることは無い。従って、燃料電池システム全体としての安定性・信頼性が確保できる。また、電圧を取得し、それに基づいて自動的に制御を行なうので、個々人の能力に依存しない安定的な方法であり、かつ人手の必要のない効率的な方法である。従って、発電における信頼性が高まり、故障の確率も減り、コストを削減することが可能となる。
【００６６】
以下に各構成を詳細に説明する。
図１を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【００６７】
制御部１３は、燃料電池セル１１からの計測ラインＡ１７（後述）と計測ラインＢ１８（後述）とを介した電圧出力に基づいて、調整弁制御ライン１６を介してガス調整弁１５を調整し、燃料ガス１の供給量を制御する制御装置である。例えば、燃料電池セル１１の出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓ以下になった場合、燃料ガス１の供給量を自動的に除々に増加させ、出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上を維持するようにする。基準電圧Ｖｓのデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
また、ガスセンサ１４（後述）からのガスセンサライン２４を介した使用済み燃料ガス１の水素濃度に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御することも可能である。その際、予め設定された基準水素濃度ＣＨ２に入るように、供給側の水素濃度を調整する。基準水素濃度ＣＨ２のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
更に、両方を同時に参考にして、供給する燃料ガス１の供給量を決定することも可能である。その際、基準電圧Ｖｓと基準水素濃度ＣＨ２と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
【００６８】
なお、制御部１３は、燃料ガス１の制御だけでなく、燃料電池システム全体の制御を行なうための制御装置と一体とすることも、別とすることも可能である。
【００６９】
上記以外の制御部１３の機能及び、他の構成の機能については、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
【００７０】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、プロパンや都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００７１】
では、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第二の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図１を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、定常運転時には、供給室８内に水素やメタンと水蒸気のような燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９に供給される。そして、制御部１３に制御されたガス調整弁１５において流量が調整されながら、燃料ガス導入管２０に達する。その後、供給室８に供給され、そこから燃料ガス１は、各燃料電池セル管の開放端を有する内管である案内管１２へに対してばらつきの無い流量で流入する。
【００７２】
燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０からの燃料ガス１は、案内管１２を進み、案内管１２の下端部（他端部）から出たところでセルチューブ３の閉塞端である下端部（他端部）にぶつかる。そして、燃料ガス１は、そこから折り返され、セルチューブ３内で案内管１２の外側、すなわち内管と外管との間を、セルチューブ３の上端部（一端部）へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）における電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【００７３】
この時、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧の測定結果に基づいて、制御部１３は、燃料ガス１の流量を調整するためにガス調節弁１５の制御を行なう。
【００７４】
上記のように燃料電池セル１１において、充分な量の燃料ガス１が供給され、正常な運転がなされていることを前提として、以下のような制御を行なうことも可能である。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、予め設定された値以下に抑えるようにする。設定値以下に保つのは、燃料利用率を、予め設定された値以上に保つためである。
【００７５】
図５を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。
運転中のある時点（ｔＡの直前）において、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、一定時間経過の後、時間ｔＡにおいて、制御部１３は、ガス調節弁１５を調整して燃料ガス１流量を少しずつ増加させる。そして、それにより、各燃料電池セルへの燃料ガス１の供給が増え、燃料電池セル１１の出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上に回復させることができるように、制御部１３は、ガス調節弁１５を制御する。
【００７６】
このとき、燃料ガス１流量を大幅に増やすのではなく、基準電圧Ｖｓを満たす程度（曲線ｃの時間ｔＡにおける電圧変化を参照）に少しだけ増やすのが重要である。これにより、燃料側と空気側との間に大きな差圧を発生させることはない。
【００７７】
従来例を図６に示す。図６を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。従来、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、インターロックを発生させ、負荷遮断を行ない、燃料電池セルを保護していた。しかし、電流停止に伴う急激なガス流量変化により、燃料側と空気側との間に大きな差圧が発生し、セルを損傷する可能性があった。しかし、本実施例では、上記のように電流を停止せず（負荷遮断を行なわず）、燃料ガス１の流量変化も極力抑えるようにしているので、セルを損傷する可能性が無く、安全で信頼性の高い方法である。
【００７８】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の上端部（一端部）から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【００７９】
以上のプロセスにより、セルチューブ３における燃料電池セルの電圧値を監視により、燃料電池セルの出力異常に対する自動的な対応が可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【００８０】
（実施例３）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明である燃料電池システムの第三の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ｃ２６、管板Ｄ２７、供給室８、排出室９、リード膜１０、燃料電池セル１１、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４、支持体Ａ２８、支持体Ｂ２９からなる。なお、図７の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【００８１】
本実施例では、セルチューブ３が両端支持（縦置き、横置き双方可能）となる。すなわち、支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ｃ２６及び排出室９側の管板Ｄ２７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブを支持しつつ、支持して入る断熱材とは別にシール専用の部材を導入している。燃料ガス１は、供給室８からセルチューブ３に進入し、排出室９へ排出されるという一方向（ワンスルー）のガスの流れである。従って、案内管が不用な構造である。以上の点が、実施例１と異なる。
【００８２】
以下に各構成を詳細に説明する。
図７を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【００８３】
燃料電池セル管としてのセルチューブ３は、多孔質セラミックスの基体管の外周面に燃料電池セルを形成された、燃焼電池を構成する円筒型の管である。セルチューブ３は、一端側を供給室８（後述）に、他端側を排出室９（後述）に嵌合され、支持されている。そして、一端側が供給室８（後述）と、他端側が排出室９（後述）とガスの出入りが出来るように開放されている。内部に、実施例１〜実施例２にある案内管を、含んでいない。材質は、例えばジルコニアなどである。図７においては、３本のみを代表として図示しているが、複数存在し、燃料電池システムの規模に応じて、本数を決定する。
基体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電解質、空気極が順に積層され、燃料電池。を形成している（図示せず）。それぞれのセル同士は、インターコネクタで接合されている（図示せず）。燃料ガス１が、供給室８（後述）を経由して、セルチューブ３の一端部よりセルチューブ３の燃料電池セルへ供給される。そして、基体管の厚み方向に孔中を拡散し燃料極に達し、セルチューブ３の外側を流れる酸化剤ガス２と共に発電に寄与する。
【００８４】
燃料電池セル１１は、燃料極、電解質、空気極が、この順に積層された燃料電池セルである。本実施例では、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなるセルチューブ３において、燃料（水素）供給量が最も少なくなるセルチューブ３の他端部（排出室９側）の最も端にある燃料電池セルを指す。すなわち、最も、燃料ガス１が届き難い場所である。燃料極（アノード）は、電解質が酸素イオン導電体の場合、電解質中を輸送される酸素イオンと、燃料ガス１中の水素又は一酸化炭素とを結合させ、水又は二酸化炭素を生成するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ニッケル／ジルコニアである。電解質は、燃料電池セルが発電するための、酸素イオンを輸送する酸素イオン導電体である。本実施例では、安定化ジルコニアである。空気極（カソード）は、電解質が酸素イオン導電体の場合、酸化剤ガス２中の酸素をイオン化し、電解質へ供給するための触媒であり、電極でもある。本実施例では、ランタンマンガナイトである。
【００８５】
燃料電池セルは、燃料電池システム内に複数存在するセルチューブ３に複数個存在し、セルチューブ３上の円周に沿って１周全てに連続的に形成され、かつ、セルチューブ３の長手方向では一定の幅毎に形成される。隣同士の燃料電池セルは、インタコネクタ（図示せず、金属膜）で直列に接続されている。燃料電池セル１１は、その中で、特に、最も燃料（水素）供給量が少なくなる燃料電池セルである。
【００８６】
リード膜１０は、複数の燃料電池セル１１で発電した直流電力の一方の極を集電部（セルチューブ３の他端部（排出室９側）に接続される電極端子（図示せず））へ引き出すためのリード線の役割をする膜である。燃料電池システム運転中に、膜が酸化されないように、緻密な保護膜（金属酸化膜の絶縁層）が積層されている。セルチューブ３の最も上端部（一端部）寄りである燃料電池セル１１の空気極（又は燃料極）と接続している。そして、リード膜１０は、その空気極からセルチューブ３の外周部をその他端部まで延びている。周方向の幅は、発電する電力の大きさとそのリード膜１０の厚みにより、抵抗が充分低いように、設定される。
【００８７】
酸化剤供給室４は、供給室８（の管板Ｃ２６）と排出室９（の管板Ｄ２７）との間にあり、それらと隔離され、セルチューブ３を含んでいる。セルチューブ３に酸化剤ガスを供給する室である。そして、内部の管板Ｃ２６及び管板Ｄ２７それぞれの近傍に、支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９をそれぞれ固定している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００８８】
供給室８は、セルチューブ３の一端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。燃料ガス１の供給を受けるためのガス供給口８−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。一方の面は管板Ｃ２６（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、供給室８に入った燃料ガス１がセルチューブ３へ供給されるように管板Ｃ２６と連結、接合している。複数存在する各セルチューブ３へ、均等に燃料ガス１を供給する、ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００８９】
排出室９は、セルチューブ３の他端部にあり、中空の直方体や円柱状等の形をしているガス分配室である。本実施例では、直方体である。使用済みの燃料ガス１の排出を行なうためのガス排出口９−１を有する。内部にガスの流れを整える整流板のような機構（図示せず）が付属している場合も有る。一方の面は管板Ｄ２７（後述）であり、セルチューブ３が取付けられている。セルチューブ３は、セルチューブ３から排出される使用済み燃料ガス１を収集可能なように管板Ｄ２７と連結、接合している。ステンレスや耐熱合金などの金属製の室である。
【００９０】
管板Ｃ２６は、供給室８の一方の面の板であり、セルチューブ３を接続するための穴が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチューブ３と、セルチューブ３の一端部でガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ｃ２６とセルチューブ３との隙間からガスをリークさせないために、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、ステンレスや耐熱合金などの薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００９１】
管板Ｄ２７は、排出室９の一方の面の板であり、セルチューブ３を接続するための穴が（セルチューブ３の数だけ）開口している。セルチューブ３と、セルチューブ３の他端部でガスの出入りが出来るように連結し、開放されて接合している。接合部分は、管板Ｄ２７とセルチューブ３との隙間からガスをリークさせないために、応力などによる位置ずれや振動や衝撃を吸収することが可能なように、ステンレスや耐熱合金などの薄い金属製の板のような柔軟性のある部材を使用する。必要に応じて、ガスタイト性を確保するために、充填剤を用いて、リークを完全に抑えるようにする。
【００９２】
次に、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０について説明する。
燃料ガス供給管１９は、燃料ガス１を供給室８へ供給する配管の一つである。そして、一端部は、燃料ガス１の流量を調整するガス調整弁１５に接続し、燃料ガス１を燃料ガス導入管２０へ流している。
【００９３】
燃料ガス導入管２０は、燃料ガス１を供給室８へ供給する配管の一つである。その一端部を燃料ガス１の流量を調整するガス調整弁１５に接続し、他端部を供給室８のガス供給口８−１に連結し、供給室８側に開放されて接合している。燃料ガス供給管１９から来た燃料ガス１を供給室８へ供給する。
【００９４】
次に、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５について説明する。
燃料ガス出口管２３は、使用済みの燃料ガス１を排出室９より排出する配管の１つである。その一端部を排出室９のガス排出口９−１に連結し、排出室９側に開放されて接合されている。また、他端部は、ガスセンサ１４に接続している。
【００９５】
燃料ガス排出管２５は、一端部をガスセンサ１４（後述）に接続している。燃料ガス出口管２３及びガスセンサ１４を通過してきた使用済みの燃料ガス１を排出する配管である。
【００９６】
支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９は、管板Ｃ２６及び管板Ｄ２７の近傍であって、供給室８及び排出室９の外側の酸化剤供給室４内に固定されている。そして、セルチューブ３上の両端部の燃料電池セルが無い部分において、セルチューブ３を支持している。また、セルチューブ３の発電側の熱を遮断し、管板Ｃ２６及び管板Ｄ２７、あるいは、セルチューブ３と管板Ｃ２６又は管板Ｄ２７との接合部であるガスシール部分について、熱的に保護する。材料としては、多孔質シリカ、多孔質アルミナ、シリカ、アルミナ、マグネシアなどを主成分とする多孔体などである。
【００９７】
なお、第一ガスとしての燃料ガス１は、水素、メタン、プロパン、都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、第二ガスとしての酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【００９８】
図７における他の構成については、同番号の実施例１の構成と同様であるので、その説明を省略する。
【００９９】
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図７を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、燃料電池の立ち上げを行なう。
まず、酸化剤供給室４へ、酸化剤ガス供給管２１を介して酸化剤ガス２を供給する。供給する際、酸化剤ガス２を、ある一定の昇温速度で予熱することにより、発電部（酸化剤供給室４内のセルチューブ３及びその周辺部）も一定の昇温速度で昇温する。
【０１００】
一方、燃料ガス１は、発電部の温度が低く、発電がなされていない状況においては、まず、低水素濃度（数％程度）の燃料ガス１を供給する。燃料ガス１は、その流量を調整するガス調整弁１５により流量を調整されながら、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０を経由して供給室８へ供給される。そして、燃料電池システム内の全てのセルチューブ３における全ての燃料極及びリード膜が還元されるように、燃料ガス１が、セルチューブ３の一端部から各燃料電池セル管であるセルチューブ３へ分配、供給される。そして、セルチューブ３の他端部へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分において、燃料ガス１が外周方向へ拡散する。そして、燃料ガス１中の水素が、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）の燃料極及びリード膜に達し、それらを還元する。その際、燃料極及びリード膜が供給される燃料ガス１中の水素を全て消費して水素が枯渇することが無いように制御する。そのために、以下のような制御を行なう。
【０１０１】
図７を参照して、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧変化を監視し、その値に異常が起こらないように、電圧の測定結果に基づいて、ガス調整弁１５を制御し、燃料ガス１の供給量を調整している。そうしていれば、供給された燃料ガス１中の水素濃度の不足が起きることはない。その他の燃料電池セルは、燃料電池セル１１よりも燃料ガス１中の水素濃度が多いので、燃料電池セル１１で問題が無ければ、問題は発生しない。
【０１０２】
更に、上記のように燃料電池セル１１においても充分な量の燃料ガス１が供給されていることを前提として、以下のような制御を行なう。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、安全の面から５％以下に抑えて、かつゼロでない一定の値を保つように、ガス調整弁１５を制御する。５％以下に保つのは、爆発下限界を考慮した安全の面からの理由と、還元用水素の利用率という効率の面からであり、ゼロでない一定値に保つ（＝余剰の水素がある）のは、セルチューブ３における還元処理に充分な水素を安定的に供給するためである。
【０１０３】
図２を参照して、更に説明する。縦軸は、左側が燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）であり、右側が燃料電池の燃料の出口での水素濃度（出口水素濃度）である。横軸は、燃料電池システム内の温度である。還元処理は炉内の温度を少しずつ上昇させながら進める。還元が終了して温度が充分に高くなり発電の準備が整うまでは、安全のために、供給する燃料ガス中の水素濃度を低くしている。そして、セルチューブ３の燃料極及びリード膜を還元して排出される使用済みの燃料ガス１の出口ガス濃度は、５％で低く一定値に抑えている。しかし、使用済みの状態で、まだ５％の水素ガス濃度があることから、供給される燃料ガス１は必要量はあったということが出来る。
【０１０４】
更に、図２において、燃料電池セル１１の開放電圧（ＯＣＶ）は、温度と共に緩やかに上昇しており、還元が良好に進んでいる。すなわち、十分な量の水素ガスがあり、温度律速で還元が進んでいることが分かる。
実際の制御としては、まず、制御部１３は、出口水素濃度を予め設定した値（ここでは、５％）に設定し、ガス調整弁１５を調整して出口水素濃度５％を維持しながら、燃料ガスを流す。
一方、制御部１３は、温度と開放電圧との関係のデータを（図示しない記憶部に）有し、発電部の温度とデータから予測される開放電圧と、実際の開放電圧（燃料電池セル１１）とを比較する。
そして、制御部１３は、燃料電池セル１１の開放電圧（ＶＯＣ）が、ある一定の水準（例えば予測値の±１０％）以内の場合、異常無しとして、そのままの制御を続ける。しかし、実際の開放電圧が、一定の水準を下回った場合、ガス調整弁１５を調整し、燃料（水素）を増加させ、開放電圧を適切な値になるようにする。
【０１０５】
続いて、温度が充分に上がった段階で、測定された開放電圧（燃料電池セル１１）が予め設定した値（例えば１．２Ｖ）以上の場合、制御部１３は、還元が充分に進んでいると判断し、微弱な初期電流を流し、各セルチューブ３の燃料電池セル及びリード膜が充分な性能を有しているかを調べる。
図４を参照して、横軸はセルチューブ３の燃料電池セルを流れる電流である。また、縦軸は、セルチューブ毎、（或いはセルチューブのグループ毎）の電圧である。燃料電池セルの還元が上手くいっていれば、曲線ａに示すような電流電圧特性を示す。
制御部１３は、微弱電流と電圧との関係が、予め（図示しない記憶部に）有する電流と電圧との関係の基準データと、実際の微弱電流と電圧との関係とを比較し、ある一定の水準（例えば基準データの±２％）以内の場合、異常無しとする。しかし、実際の微弱電流と電圧との関係還元が、一定の水準を下回った場合、還元が不充分と判断し、電流を切り、還元処理を再度行う。例えば、曲線ｂに示す電流電圧特性では、内部抵抗が非常に大きく、還元が不充分である。
【０１０６】
曲線ｂに示す状態は、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１よりも、更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０における還元不足の可能性がある。従って、それを防ぐためには、図８に示すように燃料電池セル１１ではなく、リード膜１０の抵抗を監視しておけば良い。図８の構成は、図７と同様であり、ただし、計測ラインＡ１７及び計測ラインＢ１８をリード膜１０に接続している点が図７と異なる。図７と図８とを一緒にして、燃料ガス１の供給量が最も少ない燃料電池セル１１及び更に燃料ガス１の供給の少ないリード膜１０に計測ラインを接続し、制御部１３において制御に用いれば、より還元処理を確実に行なうことが可能である。
【０１０７】
微弱な初期電流を流し、図４における曲線ａのような電流電圧特性が得られれば、燃料電池セルは良好な状態であり、通常の発電を開始する。
【０１０８】
供給室８内に燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９とガス調節弁１５とを介して燃料ガス導入管２０から供給される。燃料ガス１は、各セルチューブ３に対して、その一端部から、ばらつきの無い流量で流入し、セルチューブ３の他端部へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル１１のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セルのカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セルにおける電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【０１０９】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の他端部から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【０１１０】
以上のプロセスにより、セルチューブ３におけるリード膜１０及び燃料電池セルの燃料極での、初期の還元処理を自動的に行なうことが可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【０１１１】
（実施例４）
本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第四の実施の形態の構成について、図面を参照して説明する。
図７は、本発明である燃料電池システムの第四の実施の形態の構成を示す図（断面図）であり、燃料電池システムは、燃料電池セル管としてのセルチューブ３、酸化剤供給室４、管板Ｃ２６、管板Ｄ２７、供給室８、排出室９、リード膜１０、燃料電池セル１１、制御部１３、ガスセンサ１４、ガス調整部としてのガス調整弁１５、調整弁制御ライン１６、計測ラインＡ１７、計測ラインＢ１８、燃料供給管としての燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０、酸化剤ガス供給管２１、酸化剤ガス排出管２２、燃料排出管としての燃料ガス出口管２３及び燃料ガス排出管２５、ガスセンサライン２４、支持体Ａ２８、支持体Ｂ２９からなる。なお、図７の構成は、図示しない断熱及びガスリークの安全性を考慮した容器内に設置されている。また、本図面においては、集電に関する構成について、省略している。
【０１１２】
本実施例では、セルチューブ３が両端支持（縦置き、横置き双方可能）となる。すなわち、支持体Ａ２８及び支持体Ｂ２９によって、２点で支持されている。そして、供給室８側の管板Ｃ２６及び排出室９側の管板Ｄ２７の２点でガスシールされている。すなわち、２点でセルチューブを支持しつつ、支持して入る断熱材とは別にシール専用の部材を導入している。燃料ガス１は、供給室８からセルチューブ３に進入し、排出室９へ排出されるという一方向（ワンスルー）のガスの流れである。従って、案内管が不用な構造である。以上の点が、実施例２と異なる。
【０１１３】
以下に各構成を詳細に説明する。
図７を参照して、燃料電池システムについて説明する。
【０１１４】
制御部１３は、燃料電池セル１１からの計測ラインＡ１７（後述）と計測ラインＢ１８（後述）とを介した電圧出力に基づいて、調整弁制御ライン１６を介してガス調整弁１５を調整し、燃料ガス１の供給量を制御する制御装置である。例えば、燃料電池セル１１の出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓ以下になった場合、燃料ガス１の供給量を自動的に除々に増加させ、出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上を維持するようにする。基準電圧Ｖｓのデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
また、ガスセンサ１４（後述）からのガスセンサライン２４を介した使用済み燃料ガス１の水素濃度に基づいて、調整弁制御ライン１６（後述）を介してガス調整弁１５（後述）を調整し、燃料ガス１の供給量を制御することも可能である。その際、予め設定された基準水素濃度ＣＨ２に入るように、供給側の水素濃度を調整する。基準水素濃度ＣＨ２のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
更に、両方を同時に参考にして、供給する燃料ガス１の供給量を決定することも可能である。その際、基準電圧Ｖｓと基準水素濃度ＣＨ２と供給される燃料ガス１の流量との関係のデータを、制御部１３内の記憶部（図示せず）に有している。
【０１１５】
なお、制御部１３は、燃料ガス１の制御だけでなく、燃料電池システム全体の制御を行なうための制御装置と一体とすることも、別とすることも可能である。
【０１１６】
上記以外の制御部１３の機能及び、他の構成の機能については、実施例３と同様であるので、その説明を省略する。
【０１１７】
なお、燃料ガス１は、水素、メタン、プロパンや都市ガス等の燃料ガス１と水蒸気との混合ガスである。ただし、燃料電池システム立上げ時には、窒素バランスの水素ガスと水蒸気との混合ガスである。
また、酸化剤ガスは、酸素、空気、あるいはそれらを含む混合ガスである。
【０１１８】
では、本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第四の実施の形態の動作に関して、図面を参照して説明する。
図７を参照して、このような構成をなす燃料電池システムにおいて、定常運転時には、供給室８内に水素やメタンと水蒸気のような燃料ガス１が、燃料ガス供給管１９に供給される。そして、制御部１３に制御されたガス調整弁１５において流量が調整されながら、燃料ガス導入管２０に達する。その後、供給室８に供給され、そこから燃料ガス１は、各燃料電池セル管であるセルチューブ３へに対してばらつきの無い流量で流入する。
【０１１９】
燃料ガス供給管１９及び燃料ガス導入管２０からの燃料ガス１は、供給室８からセルチューブ３の一端部へ供給され、他端部へ向けて流れる。このとき、セルチューブ３の壁面（側面）部分に燃料ガス１が拡散し、燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のアノード側に達する。一方、酸化剤供給室４内のセルチューブ３の外周面に沿って酸素や空気のような酸化剤ガス２が供給される。それらは燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）のカソード側に達する。そして、燃料ガス１と酸化剤ガス２との燃料電池セル（燃料電池セル１１を含む）における電気化学的反応により、発電が行なわれ、電力が発生する。
【０１２０】
この時、制御部１３は、燃料ガス１の流路の最終端に設けられた燃料電池セル１１の電圧を測定する。すなわち、燃料ガス１の供給量が燃料電池システムの中で最も少ないセルチューブ３の、最も供給量が少ない（排出室８に最も近い）燃料電池セル１１の電圧を測定し、監視している。そして、その電圧の測定結果に基づいて、制御部１３は、燃料ガス１の流量を調整するためにガス調節弁１５の制御を行なう。
【０１２１】
上記のように燃料電池セル１１において、充分な量の燃料ガス１が供給され、正常な運転がなされていることを前提として、以下のような制御を行なうことも可能である。制御部１３は、ガスセンサ１４で、燃料電池システムにおける出口での、燃料ガス１の排出時の水素濃度（以下「出口水素濃度」）を測定している。ここでの値を、予め設定された値以下に抑えるようにする。設定値以下に保つのは、燃料利用率を、予め設定された値以上に保つためである。
【０１２２】
図５を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。
運転中のある時点（ｔＡの直前）において、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、一定時間経過の後、時間ｔＡにおいて、制御部１３は、ガス調節弁１５を調整して燃料ガス１流量を少しずつ増加させる。そして、それにより、各燃料電池セルへの燃料ガス１の供給が増え、燃料電池セル１１の出力電圧を基準電圧Ｖｓ以上に回復させることができるように、制御部１３はガス調節弁１５を制御する。
【０１２３】
このとき、燃料ガス１流量を大幅に増やすのではなく、基準電圧Ｖｓを満たす程度（曲線ｃの時間ｔＡにおける電圧変化を参照）に少しだけ増やすのが重要である。これにより、燃料側と空気側との間に大きな差圧を発生させることはない。
【０１２４】
従来例を図６に示す。図６を参照して、縦軸は、セルチューブ３（あるいは複数のセルチューブ３からなるグループ）の出力電圧であり、横軸は、運転経過時間（時間ｔＡ付近）である。従来、出力電圧が、予め設定された基準電圧Ｖｓを下回った場合、インターロックを発生させ、負荷遮断を行ない、燃料電池セルを保護していた。しかし、電流停止に伴う急激なガス流量変化により、燃料側と空気側との間に大きな差圧が発生し、セルを損傷する可能性があった。しかし、本実施例では、上記のように電流を停止せず（負荷遮断を行なわず）、燃料ガス１の流量変化も極力抑えるようにしているので、セルを損傷する可能性が無く、安全で信頼性の高い方法である。
【０１２５】
使用済みの燃料ガス１は、セルチューブ３の上端部（一端部）から排出室９へ移動する。そして、燃料ガス出口管２３とガスセンサ１４とを介して燃料ガス排出管２５から排出される。一方、使用済みの酸化剤ガス２は、酸化剤供給室４より酸化剤ガス排出管２２から排出される。
【０１２６】
以上のプロセスにより、セルチューブ３にける燃料電池セルの電圧値を監視により、燃料電池セルの出力異常に対する自動的な対応が可能となり、人的負担の低減と、コスト削減が可能となる。
【０１２７】
本発明により、セルチューブ３にけるリード膜及び燃料電池セルの燃料極での、初期の還元処理を、燃料電池セル１１の電圧監視により、自動的に行なうことが可能となる。従って、従来のような人的負担が必要無くなり、労力の削減が計れる。
【０１２８】
また、最も燃料（水素）ガスの供給量が少ない燃料電池セルのみについて監視すればよいので、装置が簡便であり、容易に実行が可能である。従って、低コストで行なうことが可能である。
【０１２９】
加えて、還元処理の不充分な燃料電池セル及びリード膜が無くなったことを確実に確認できるので、燃料電池システムの立上げを早期に確実に終了することが出来る。従って、故障や不安定な運転状況などを排除でき、信頼性及び安定性を向上させることが可能となる。
【０１３０】
また、燃料電池セルの電圧異常に対しても、急激なインターロックによる負荷遮断を行なうことなく、緩やかな燃料ガス１の流量制御により、燃料電池システムに負担のかからない対応を実施することが可能となる。従って、システムの信頼性や長期信頼性を有することが可能となる。
【０１３１】
【発明の効果】
本発明により、燃料電池の状況に応じて水素濃度を自動的に制御することにより、燃料電池の電圧等を確認しながら、安定的に還元することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一及び第二実施の形態の構成を示す図である。
【図２】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態における開放電圧及び出口水素濃度と運転温度との関係を示す図である。
【図３】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第一及び第二実施の形態の他の構成を示す図である。
【図４】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態における燃料電池セルの電圧と電流との関係を示す図である。
【図５】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の実施の形態における燃料電池セルの電圧と運転時間との関係を示す図である。
【図６】従来例における燃料電池セルの電圧と運転時間との関係を示す図である。
【図７】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三及び第四実施の形態の構成を示す図である。
【図８】本発明である燃料電池システム及び燃料電池の運転方法の第三及び第四実施の形態の他の構成を示す図である。
【図９】従来の技術の実施の形態における開放電圧及び出口水素濃度と運転温度との関係を示す図である。
【図１０】従来の技術の実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料ガス
２ 酸化剤ガス
３ セルチューブ
４ 酸化剤供給室
５ ヘッダ
６ 管板Ａ６
７ 管板Ｂ７
８ 供給室
９ 排出室
１０ リード膜
１１ 燃料電池セル
１２ 案内管
１３ 制御部
１４ ガスセンサ
１５ ガス調整弁
１６ 調整弁制御ライン
１７ 計測ラインＡ
１８ 計測ラインＢ
１９ 燃料ガス供給管
２０ 燃料ガス導入管
２１ 酸化剤ガス供給管
２２ 酸化剤ガス排出室
２３ 燃料ガス出口管
２４ ガスセンサライン
２５ 燃料ガス排出管
２６ 管板Ｃ
２７ 管板Ｄ
２８ 支持体Ａ
２９ 支持体Ｂ
１１０ ヘッダ
１１０ａ 仕切板
１１０ｂ 底板
１１０ｃ 供給室
１１０ｄ 排出室
１１１ セルチューブ
１１２ 案内管
Claims (4)
- 燃料ガスの流量を調整するガス調整部を有する、前記燃料ガスを供給する燃料供給管と、
開放端を有する内管と閉塞端を有する外管の二重管構造を有し、前記外管の外面に燃料電池セルと、発電された電力を取出すリード膜とを形成した燃料電池セル管と、
前記燃料供給管からの燃料ガスが前記内管を通って前記閉塞端で折り返され、前記内管と前記外管との間を流れ、運転温度に上がったとき、前記燃料ガスの流路の最終端に設けられたリード膜の抵抗を、前記リード膜に接続された計測ラインを用いて、前記リード膜に微弱電流を流して測定し、前記抵抗の測定結果に基づいて、前記ガス調節部の制御を行なう制御部と、
を具備する、
燃料電池システム。 - 燃料ガスの流量を調整するガス調整部を有する、前記燃料ガスを供給する燃料供給管と、
基体管の表面に燃料電池セルと、発電された電力を取出すリード膜とを形成した燃料電池セル管と、
前記燃料供給管からの燃料ガスが前記燃料電池セル管を流れ、運転温度に上がったとき、前記燃料ガスの流路の最終端に設けられたリード膜の抵抗を、前記リード膜に接続された計測ラインを用いて、前記リード膜に微弱電流を流して測定し、前記抵抗の測定結果に基づいて、前記ガス調節部の制御を行なう制御部と、
を具備する、
燃料電池システム。 - 他の燃料電池セル管を更に具備し、
前記燃料電池セル管は、前記他の燃料電池セル管よりも燃料ガスの供給量が少ない、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 - 基体管の表面に形成された燃料電池セルが発電した電力を取出すリード膜に燃料ガスを供給するステップと、
運転温度に上がったとき、前記リード膜の内、前記燃料ガスの流路における最後のリード膜の抵抗を、前記リード膜に接続された計測ラインを用いて、前記リード膜に微弱電流を流して測定するステップと、
前記抵抗の測定結果に基づいて、前記燃料ガスの供給量を制御するステップと、
を具備する、
燃料電池運転方法。
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